автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Технологические основы структурной и размерной стабилизации серого чугуна

РТ8 М

0 На правах рукописи

ОСИНЦЕВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТРУКТУРНОЙ И РАЗМЕРНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ СЕРОГО ЧУГУНА

Специальность 05.16.01 - "Металловедение и термическая обработка

металлов"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

КУРСК -1998

Работа выполнена в Воронежском государственном техническом университете

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Гордиенко JI.K. Доктор технических наук, профессор Гадалов В.Н. Доктор технических наук, профессор Заверюха A.A.

Ведущая организация: Тульский политехнический институт

Защита состоится 2. шсия 1998 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 064.50.01 при Курском государственном техническом университете по адресу: 305040, Курск, ул. 50 лет Октября, 94

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Автореферат разослан "2JS" мая 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор .Ф.Яцун

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Машиностроение - важнейшая отрасль промышленности. Его продукция - машины различного назначения поставляются всем отраслям народного хозяйства. Технический прогресс в машиностроении характеризуется не только улучшением конструкций машин, но и непрерывным совершенствованием технологии их производства. Всегда актуально качественно, надежно, дешево и в заданные сроки с минимальными затратами изготовить машину, применив современное оборудование, технологию и инструмент.

Одним из широко применяемых материалов в любом машиностроении является чугун вследствие его высокой эксплуатационной надежности и долговечности.

От других материалов системы железо - углерод серый чугун отличается резкой гетерофазностьго 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 оставляет в них значительные внутренние напряжения. Графитовые включения, действуя на концентраторы напряжения, изменяют модуль упругости. Все это предопределяет анизотропию напряженного состояния, свойств и характеризует повышенную склонность чугуна к ползучести, релаксации напряжений и, в конечном счете, к способности сохранять или нарушать начальную форму и размеры отливок. Даже при строгом постоянстве благоприятных внешних условий материал отливок в какой-то мере изменяет свои свойства, поскольку он, как микроскопическая система, практически всегда находится в состоянии неполного термодинамического 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 представляет постоянно возрастающие требования к точности машин, приборов и других механических систем.

Вопросы напряженного состояния и стабильности форм отливок, всегда волновавшие литейщиков, металловедов и термистов, особенно активно стали изучаться в последние 20 лет. В этот период появилось значительное количество исследовательских работ, касающихся различных аспектов проблемы внутренних напряжений: изучение физических явлений, создание

более точных расчетных методик, совершенствования техники измерения напряжений и т.д.

Наиболее существенные результаты достигнуты в работах теоретического направления, однако почти все они по существу сводятся к изучению явлений и процессов в отливках с помощью законов теоретической механики и сопротивления материалов.

Одним из направлений при решении проблемы размерной стабилизации является изучение закономерностей возникновения и распределения остаточных напряжений в отливках и воздействие на них в процессе кристаллизации. Другим - изыскание средств эффективного воздействия на литые детали с целью снижения остаточных напряжений и упрочнения металлической матрицы путем выбора рациональных режимов старения.

До настоящего времени подавляющее большинство исследователей размерную нестабильность не связывали с релаксационной стойкостью материала, а считали ее функцией от остаточных напряжений первого рода. Однако оказалось, что величина имеющихся в чугунных отливках остаточных напряжений однозначно не определяет их коробления, что подтверждается, например, практикой естественного старения, при котором остаточные напряжения в отливках снимаются незначительно (7-10 %) в то же время естественное старение до сих пор считается одним из самых надежных методов стабилизации.

Признание определяющей роли остаточных напряжений в короблении объясняет причину того, что субструктура, релаксационная стойкость и релаксационные явления в чугуне до сих пор находятся в начальной стадии изучения. До настоящего времени в промышленности релаксационная стойкость чугуна никак не контролируется, суждение о пригодности чугуна для прецизионных отливок выносится по результатам испытаний на разрыв, изгиб и твердость, т.е. по сопротивлению материала большим пластическим деформациям. В то же время релаксационная стойкость выражается сопротивлением не большим, а мальм пластическим деформациям.

Отсутствие корреляции между сопротивлением малым и большим пластическим деформациям не позволяет решить задачу размерной стабилизации. Общепринятые испытания чугуна не дают представлений о релаксационной стойкости к размерной нестабильности прецизионных чугунных отливок.

Следовательно, при решении проблемы размерной стабилизации отливок объектом исследования должно быть не только действие силовых, конструктивных и технологических факторов на напряженность отливок, но и физические свойства их материала, в данном случае чугуна.

Поэтому разработка технологических основ структурной и размерной стабилизации серого чугуна за счет воздействия внешними факторами на металлическую матрицу является актуальной проблемой.

Цель работы. Разработка технологических основ структурной и размерной стабилизации серого чугуна путем термовибрационного воздействия на металлическую матрицу, обеспечивающего формирование оптимально стойкой структуры, и практических методов старения серого чугуна.

Для достижения этой цели, используя новый с позиции субструктурного упрочнения подход, в данной работе решались следующие задачи:

1. установление типа субструктуры металлической матрицы чугуна, обеспечивающей наивысшую релаксационную стойкость и размерную стабильность отливок;

2. установление закономерностей влияния технологических факторов (температуры, времени, вибрации) на формирование субструктуры серого чугуна;

3. изучение механизмов релаксации остаточных напряжений в чугуне;

4. установление корреляции между сопротивлением малым и большим пластическим деформациям, структурой и свойствами серого чугуна;

5. разработка методики прогнозирования релаксационной стойкости базовых деталей станков' путем определения сопротивления малым пластическим деформациям металлической матрицы чугуна;

6. разработка и внедрение в производство оптимальных технологических процессов структурной и размерной стабилизации чугуна.

Положения, выносимые на защиту:

1. В связи с отсутствием стандартных методов и аппаратуры для оценки релаксационной стойкости чугуна предложена методика определения этой характеристики по сопротивлению малым пластическим деформациям и кинетике прямого и обратного упругого последействия.

С привлечением высокочувствительных методов исследования (внутреннее трение, калориметрия, электросопротивление, термоЭДС, рентгеноскопия, электронная и световая микроскопия и т.д.) и расчетами было установлено, что высокая стабильность дислокационной структуры, сформированной в результате термоциклического старения, обусловлена разрядкой "пиковых" напряжений, закреплением дислокаций атомами примесей, образованием полигональной структуры, измельчением блоков и вторичными выделениями.

2. Механизм релаксации остаточных напряжений в сером чугуне при температурах ниже 573 К.

3. Закономерности формирования полигональной структуры при старении серого чугуна.

4. Технологические методы структурной и размерной стабилизации.

5. Закономерности влияния химического состава и технологических факторов на релаксационную стойкость чугунов.

Научная новизна. Из рассмотрения термодинамических условий равновесия сформулированы предпосылки для выбора оптимальных технологических процессов размерной стабилизации чугунных отливок. Эти процессы должны обеспечивать в отливках уменьшение величины остаточных напряжений, их выравнивание путем уничтожения пиков напряжений, понижение потенциальной энергии системы, повышение релаксационной стойкости и энергоемкости металлической матрицы чугуна.

Для оценки релаксационной стойкости чугуна создана методика определения этой характеристики по сопротивлению малым пластическим деформациям и кинетике прямого и обратного последействия.

Показано, что длительное естественное старение сплавов чугуна способствует созданию полигональной субструктуры, аналогичной наблюдаемой при термоциклическом старении при 493-553 К и при комбинированном старении (кратковременная вибрация и один термоцикл при 573 К). Установлена корреляция между сопротивлением малым пластическим деформациям и сопротивлением отрыву.

Установлены закономерности старения чутуна при температурах ниже 573 К, заключающиеся в том, что определяющим в свойствах при естественном и искусственном старении являются изменения, происходящие в металлической матрице чугуна, особенно в феррите, содержание которого превышает 90 % металлической матрицы. Разработаны новые технологические процессы размерной стабилизации чугунных литых деталей путем термоциклического старения при температурах 493-553 К и комбинированной обработки.

Практическая ценность. Предложенные в настоящем исследовании технологические процессы размерной стабилизации внедрены на Одесском заводе радиально-сверлильных станков, на Московском заводе "Станколиния", на Новочеркасском станкостроительном заводе, на Житомирском заводе станков-автоматов, Воронежском заводе ОАО Воронежпресс, где в соответствии с прилагаемыми актами внедрения получен весьма существенный годовой экономический эффект.

С 1981 г. работа ведется по минвузовскому сотрудничеству совместно с кафедрой литейного производства Высшей Технической школы г. Брно (Чехия). Работа признана важнейшей, рекомендована для широкого внедрения и внесена в Госплан РСФСР.

Проведено внедрение на заводе ЛИАЗ г. Либерец Чехия с годовым экономическим эффектом 3,300.000 крон. (1983 г.)

Получены положительные результаты на заводе ХР8 г. Готвальдов ЧССР.

Метод комбинированного старения аттестован ВНИЦСМВ в виде Государственного стандарта под № ГСССД МЭ 106-97.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на следующих международных и всесоюзных научно-технических конференциях: научно-техническая конференция профессорско-

преподавательского состава Казанского авиационного института (г. Казань, 1967 г.); научно-техн. конф. НТО Машпром (г. Воронеж, 1971 г.); "Новое в металловедении, термической и химико-термической обработке металлов и сплавов" (г. Воронеж, 1978 г.); "Коробление изделий при термической обработке и способы его уменьшения" (Москва, ГОСНИИТИ, 1979 г.); Международная конференция по литейному производству "Фондекс-80" (г. Брно, ЧССР, 1980 г.); Юбилейная конференция профессорско-преподавательского состава политехнического института (г. Кечкемет, Венгрия, 1980 г.); Всесоюзное совещание по механизмам внутреннего трения в твердых телах (г. Кутаиси, 1982 г.); Третья Международная конференция "Внутренние напряжения и поверхностное упрочнение" (г. Цвикау, ГДР, 1982 г.); "Новое в металловедении, термической и химико-термической обработке конструкционных материалов" (г. Воронеж, 1982 г.); Десятая Международная конференция по неразрушающим методам контроля (г. Москва, 1982 г.); Десятая Всесоюзная конференция по физике прочности и пластичности металлов и сплавов (г. Куйбышев, 1983 г.); Двенадцатая Международная конференция "Проблемы качества и эффективности литейного производства" (г. Враца, Болгария, 1984 г.); Зональная научно-техническая конференция "Совершенствование технологических процессов и повышение качества отливок из 'чутуна и цветных сплавов" (г. Андропов, 1984 г.); Международная конференция по литейному производству (г. Железная Руда, Чехия, 1983 г.); Международная конференция центрального комитета научно-технического общества литейщиков Чехии (г. Брно, Чехия, 1984 г.); Пятая Международная конференция "Рационализация в машиностроении" (г. Цвикау, ГДР, 1985 г.); Ежегодная научная конференция профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов Воронежского Государственного Технического Университета (г. Воронеж, 1971-1997 гг.); Республиканская научно-техническая конференция "Материалы и упрочняющие технологии" (г. Курск, 1988 г., 1989 г., 1991 г., 1992 г.); Международная научно-техническая конференция "Теория и практика машиностроительного оборудования" (г. Воронеж, 1996 г., 1997 г.); Международная научно-техническая конференция "Материалы и упрочняющие технологии" (г. Курск, 1997 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 32 печатных работ, получен аттестат на Государственный стандарт.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав с материалами исследования, выводов, списка литературы и приложений.

Машинописный объем диссертации 225 страниц, 10 таблиц, 65 рисунков. Список литературы включает 150 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе показана дислокационная структура чугуна, даются теоретические и экспериментальные объяснения причин формирования особой дислокационной структуры серого чугуна, значения межфазовых границ в гетерофазном материале, а также роли остаточных напряжений второго рода в формировании тонкой структуры, упругих и неупругих характеристик серого чугуна. Приведено теоретическое и конструктивное обоснование двух высокочувствительных оригинальных установок, специально разработанных для решения поставленных задач.

Особое дислокационное строение чугуна, характеризующееся повышенной плотностью дислокаций металлической матрицы у графитовых включений, в обсуждаемой работе объясняется на основании следующих теоретических и экспериментальных исследований:

а) ранее Хэдом были определены напряжения, создаваемые краевыми дислокациями, находящимися вблизи раздела двух сред с различными упругими постоянными. Напряжения, возникающие при переходе через границу, вычисляются нами впервые.

Рассчитано упругое поле, создаваемое двумя дислокациями, находящимися по разные стороны от границы раздела, и вычислена сила взаимодействия, которая может немонотонно изменяться с изменением расстояния между дислокациями.

Полученные уравнения автором использованы при оценке влияния границы раздела на взаимодействие дислокаций (фактор "экранизации") в сером чугуне. На основании этого было показано, что около границы радела металлической матрицы с графитом будут образовываться дислокационные скопления;

б) граница раздела двух фаз препятствует выходу дислокаций из составляющей слоистой структуры с меньшим модулем упругости. Приводятся результаты теоретического исследования устойчивости дислокационных стенок в гетерофазных материалах, содержащих слоистые включения с различными упругими постоянными;

в) экспериментальное исследование напряженного состояния и физико-механических свойств по изменению термоЭДС, микротвердости и рентгенографически показало наличие высоких локальных микронапряжений второго рода в микрообьемах, которые при релаксации напряжений возбуждают источники Франка-Рида, чем также объясняется наблюдаемая

повышенная плотность дислокаций металлической матрицы у границ раздела с графитом.

Возможность прохождения деформации металлической матрицы от релаксации напряжений второго рода в процессе старения при переходе чугуна в квазиравновесное состояние подтверждается косвенно по результатам исследования внутреннего трения. На температурной зависимости внутреннего трения при нагревании несостаренного чугуна впервые обнаружены два пика внутреннего трения, приходящиеся на температуры 323-363 К и 453-463 К (частота 1-1,5 Гц). Первый максимум интерпретируется как пик Сноека. Второй - Сноека-Ке, имеет деформационную природу и является следствием деформации металлической матрицы в результате релаксации напряжений второго рода в процессе старения чугуна.

Особое внимание в реферируемой работе уделяется выяснению правомочности и корректности метода внутреннего трения, использованного в данной работе при исследовании чугуна.

В сером чугуне, отличающемся резкой гетерофазностыо строения, на рассеяние энергии существенное влияние оказывают графитовые включения. Если считать, что графит в процессе термообработки старения чугуна не претерпевают больших изменений, то основной вклад в рассеяние энергии при прочих равных условиях будут вносить структурные особенности металлической матрицы чугуна. Поэтому было целесообразно исследовать внутреннее трепие серого чугуна для тех случаев, когда коренным образом изменяется строение матрицы чугуна путем закалки и отпуска при различных температурах.

На кривой температурной зависимости внутреннего трения чугуна предварительно закаленного с температуры 973 К и выше четко проявляются два максимума при температурах 318 К и 473 К. Природа этих пиков достаточно хорошо объяснена в ряде исследований по железоуглеродистым сплавам. При повышении температуры закалки чугуна пик Сноека уменьшается, а после закалки с 1173 К он выражен слабо. Одновременно с повышением температуры закалки возрастает величина 473-градусного пика внутреннего трения. Отпуск оказывает существенное влияние на высоту и положение пиков внутреннего трения.

Известно, что повышение температуры отпуска способствует распаду мартенсита и превращенного аустенита. Эти структурные изменения сопровождаются уменьшением высоты 473-градусного пика Сноека и смещением его в сторону более высоких температур.

Из вышеперечисленных результатов проведенных исследований серого чугуна и сопоставлений их с данными М.А.Криштала и С.А.Головина для закалешшх и отпущенных сталей видно, что проявляется полная аналогия пиков Сноека, Сноека-Ке в температурах их появления, высоте и смещения их под влиянием различного вида термообработки. Отсюда следует, что, видимо, решающее влияние на изменение внутреннего трения оказывает металлическая

матрица чугуна. Дополнительным подтверждением этого является также исследование Гильберта, в котором указывается, что при малых напряжениях (деформация 0,2 %) главную роль в рассеянии энергии играет деформация матрицы. При больших же напряжениях эту роль начинают играть деформации полостей графита, главным образом, остаточные. Таким образом, чтобы графит начал оказывать определяющее влияние на сопротивление деформации, необходимо возбудить силы трения на границе феррит-графит, для чего необходимо создать некоторое критическое напряжение.

В настоящем исследовании изучалась зависимость модуля упругости серого чугуна от двух факторов - суммарного сечения надрезов, моделирующих графитовые включения, и искусственно создаваемых напряжений второго рода. Модуль упругости консольно закрепленных стержней сечением 0,7x10x70 мм определялся на оригинальном пневматическом релаксаторе в динамическом режиме.

Вторая глава посвящена теоретическим аспектам проблемы релаксации напряжений. В ней рассмотрены принципиальные схемы ползучести и релаксации напряжений, влияние различных факторов на релаксацию, механизмы релаксации напряжений. Приведена теория релаксации напряжений в гетерофазных сплавах.

На основании рассмотрения физической сущности явлений ползучести и релаксации напряжений, развивающихся в материале под воздействием статических, квазистатических, динамических внешних сил или остаточных напряжений, показана общность и различие этих явлений.

При обсуждении механизмов, контролирующих релаксацию, исходили из предположения, что для начала скольжения звеньев дислокационной сетки Франка необходимо преодоление энергетических барьеров: барьера Пайерлса и других барьеров дальнего и ближнего порядка. Решающим для начала релаксации в ОЦК металлах является преодоление барьера Пайерлса, поскольку по сравнению с другими препятствиями, энергетический барьер Пайерлса имеет большее значение.

Предложена теория релаксации напряжений сплавов с резко гетерофазным строением, в соответствии с которой структура определяет релаксацию напряжений в местах их концентраций.

Несмотря на актуальность и обширность проблемы релаксации напряжений в неоднородных средах, ее теоретическое решение к настоящему времени весьма далеко от своего завершения. Разнообразие видов включений и условий термомеханической обработки материалов приводит к решению круга задач об эволюции дефектной структуры материала в процессе релаксации напряжений.

В данной работе рассматриваются механизмы релаксации напряжений в средах, содержащих большое число пластинчатых включений с упругим модулем, намного меньшим, чем модуль основного материала матрицы.

Системами такого типа являются серые чугуны, содержащие графитовые включения. Внутренние напряжения в чугунах снимаются в процессе старения. Температура и продолжительность отжига должны выбираться из тех соображений, чтобы релаксация остаточных напряжений практически не сопровождалась распадом перлита. Для серых чугунов таким условиям удовлетворяет старение при температуре 473-573 К. В указанном диапазоне температур не могут протекать релаксационные процессы, связанные с самодиффузией вещества матрицы. Поэтому, естественно считать, что уменьшение внутренних напряжений со временем происходит в результате пластической деформации, обусловленной консервативным движением дислокаций.

В железе, содержащем большое количество атомов углерода, дислокации окружены облаками Коттрела, которые рассасываются при температурах, превышающих 773 К.

_4

Если принять концентрацию углерода в матрице С равную 10 , то, вычисляя концентрацию на дислокации С^ по формуле

0( = С0 * ехр( I ис 1/(к*Т)) / (1 + Со * ехр( | ис |/(к*Т))) ,

можно видеть, что при 573 К дислокационные линии насыщены атомами углерода, а при 773 К средняя длина свободного от примесей участка дислокации составляет около десяти межатомных расстояний. ( В приведенном выше выражении есть энергия связи атома углерода с дислоьсацией, которая считается равной 0,5 эВ, К - постоянная Больцмана, Т -абсолютная температура ). При столь высоких концентрациях примесных атомов энергии активации термического отрыва дислокации от закрепляющих атомов весьма велики. Поэтому рассматриваются лишь движения дислокаций вместе с атмосферами окружающих их примесных атомов.

Движение дислокаций вместе с облаками Коттрела рассматривалось в работах С.К.Туркова, Т.Д.Щермергора, Г.М.Гутниковой и Б.Я.Любова, в которых получены формулы сложных интегралов, имеющих приближенное решение. Здесь приводится упрощенный метод решения, качественно приводящий к тем же результатам.

В работе вводится понятие вязкого размножения дислокаций, заключающееся в том, что при напряжениях, меньших напряжений отрыва от атмосфер, но достаточных для возбуждения Франка-Рида, служащие источниками дислокационные сегменты изгибаются до критического радиуса, увлекая за собой атмосферы примесных атомов.

Получены графики зависимости внутренних напряжений,

релаксирующих во времени при различных температурах путем интегрирования приведенных уравнений в сопоставлении с экспериментально наблюдаемыми кривыми. Установлено хорошее совпадение этих кривых,

особенно на начальной стадии релаксации, что говорит в пользу предложенного механизма.

В третьей главе рассмотрены способы повышения релаксационной стойкости серого чугуна, методик ее измерения и влияние на нее термомеханической и механикотермической обработки, закалки, отпуска, химического состава, толщины стенок отливок, микроструктуры и других факторов.

Для предотвращения коробления и достижения размерной стабильности отливок необходимо наряду со снижением остаточных напряжений, повышение сопротивления малым пластическим деформациям материала отливок. Последнее может достигаться различными путями, из которых основными являются: создание стабильных конфигураций дислокаций, образование мелкодисперсных сегрегации, повышение плотности дислокаций, выделение частиц второй фазы и легирования.

В работе подчеркивается отсутствие корреляции и различие природы свойств, характеризующих сопротивление малым и большим пластическим деформациям. Поэтому для повышения размерной стабильности необходимо идти в направлении создания условий, при которых возрастает сопротивление малым пластическим деформациям материала отливок.

В связи с отсутствием стандартных методов и аппаратуры для оценки релаксационной стойкости автором избран метод, развиваемый С.О.Цобкалло, позволяющий получить обширную информацию о металлах по характеристикам условного предела упругости, величинам прямого и обратного упругого последействия, средней скорости нарастания деформации прямого упругого последействия, относительному приросту упругого последействия и коэффициенту обратимости процесса последействия.

Исследовались серые чугуны марки СЧ 21-40 следующего химического состава в процентах:

С=3,2; 81=1,73; Мп=0,9; Р=0,11; 8=0,1

Из чугуна в песчано-глинистые сырые формы отливались плиты толщиной 15 мм, потом путем фрезирования, механического, а затем электролизного шлифования вырезались образцы и доводились до размера 0,7x12x120 мм. На образцах исследовались релаксационные характеристики после различных методов естественного (8 месяцев) и искусственного (отжиг при 823 К и термоциклического старения при различных температурах от 513 до 823 К) старения. Оказалось, что минимальное сопротивление малым пластическим деформациям оказывает чугун, подвергнутый искусственному старению путем отжига при 823 К. Максимальное сопротивление малым пластическим деформациям получено после четырехкратного повторения цикла старения при 513 К. При этом по сравнению с отожженными при 823 К состоянием достигается увеличение условного предела упругости в 1,6-2,2 раза.

Возрастание условного предела упругости за первые три цикла термоциклического старения происходит ускоренно, а в дальнейшем убывает. Поэтому, видимо, нет необходимости при старении при 513 К пргапшать число циклов более 2-3.

Технологический процесс термоциклического старения деталей из чугуна СЧ 15-32, СЧ 21-40 и СЧ 28-48 складывается из последовательного выполнения следующих операций (рис. 1): нагрева отливок до температуры 533-573 К с максимально возможной скоростью, однако такой, при которой исключается трещинообразование; выдержки при этой температуре в течение 2 часов; охлаждении на воздухе в течение 2 часов; повторного нагрева до 533573 К максимальной скоростью; выдержке при этой температуре в течение 3 часов; последующего охлаждения на воздухе.

__ Участок обязательного контроля режима старения

Зона допустимых отклонений

1 - Показания контрольной термопары, усановленной в области

максимальных температур

2 - Показания контрольной термопары, установленной в области

минимальных температур

Рис. 1. Схема эталонного графика термоциклического старения

Термоциклическое старение проводится в электрических или пламенных печах, в которых перепад температур в период выдержки не должен превышать 323 К.

Технологический процесс комбинированной размерной стабилизации всех литых деталей из серого чугуна СЧ 15, СЧ 18, СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30 и т.д. складывается из последовательного выполнения следующих операций: 1) закрепить деталь на вибростенде таким образом, чтобы сопротивление изгибу ее в горизонтальной плоскости было наименьшим. Крепление

производить не менее чем в четырех точках, наиболее удаленных друг от друга. Примерно по оси симметрии детали жестко закрепить строительные вибраторы с частотой колебаний 700-2000 кол/мин и амплитудой, вызывающей изменение внутренних напряжений до 3,5-4 кг/мм не более;

2) подвергнуть деталь виброобработке в течение 7-10 мин;

3) снять с детали вибраторы, раскрепить ее и снять с вибростенда;

4) нагреть деталь до температуры 533-573 К с максимально возможной скоростью, не вызывающей опасности трещинообразования;

5) выдержка при температуре 533-573 К в течение 1 часа для отливок весом до 10 тонн, и в течение 1,5 часа для отливок весом более 10 тонн;

6) охлаждение на воздухе.

Повышение температуры термоциклического старения до 673 К приводит к некоторому повышению условного предела упругости за первый цикл термообработки. Однако дальнейшее увеличение числа циклов разупрочняет чугун с каждым новым циклом старения, что, видимо, объясняется началом разложений эвтектоидного цементита. Разупрочнение возрастает с дальнейшим повышением температуры старения до 823 К.

Естественное старение в течение 8 месяцев повышает сопротивление малым пластическим деформациям, по своим результатам оно однозначно двухцикловому термоциклическому старению при 513 К. Трехцикловое термоциклическое старение при 513 К предпочтительнее естественного 8-месячного старения.

Значительное повышение релаксационной стойкости может быть достигнуто легированием серого чугуна. Введение значительного числа легирующих элементов в прецизионное станочное литье экономически невыгодно. Поэтому в реферируемой работе изучены малолегированные хромом и никелем чугуны, получаемые путем введения в металлическую шихту вагранки от 10 до 15 % от веса шихты природнолегированных чугунов. Результаты исследования показывают, что такое незначительное . легирование на 20-30 % улучшает характеристики релаксационной стойкости чугуна.

Известно, что скорость охлаждения определяет микроструктуру и свойства чугуна. В свою очередь скорость охлаждения при одинаковых прочих условиях является функцией толщины отливок. Поэтому, изменяя толщину стенок отливок в широких пределах, можно при одном и том же химсоставе получать белые, половинчатые и серые чугуны с различной микроструктурой металлической матрицы. Изучение этого вопроса представляет интерес для теории и практики, в частности, результаты исследования необходимы конструкторам для выбора пределов толщины отливок, при которых сохраняются заданные характеристики релаксационной стойкости.

Исследовалась релаксационная стойкость чугуна, отлитого в сырую форму в виде плит толщиной 15, 25 и 40 мм. Оказалось, что увеличение

толщины отливок, сопровождающееся изменением микроструктуры металлической матрицы и графита, отрицательно сказывается на характеристиках релаксационной стойкости чугуна.

Учитывая, что микростроение металлической матрицы изменяется не только с изменением толщины отливок, но может вызываться искусственно термической обработкой, в работе приводятся результаты исследования релаксационной стойкости чугуна после закалки и отпуска на различные температуры. Здесь показано, что мартенситная матрица серого чугуна отличается минимальным сопротивлением малым пластическим деформациям. Нестабильность мартенсита наиболее четко проявляется на кривых амплитудной зависимости внутреннего трения (АЗВТ). Увеличение продолжительности естественного старения предварительно закаленного с 1173 К серого чугуна сопровождается непрерывным снижением фона внутреннего трения и уменьшением тангенса угла наклона кривых амплитудной зависимости внутреннего трения. Понижение фона внутреннего трения и увеличение степени закрепления дислокаций обнаружено также при увеличении продолжительности отпуска.

Для закаленного чугуна оптимальная релаксационная стойкость проявляется после отпуска при 573 К на зернистый троостит. Учитывая исследования С.З.Бокштейна, обнаружившего максимальное сопротивление отрыву высокоуглеродистой стали после отпуска на 573 К, ожидалось аналогичное поведение и серого чугуна. Для проверки этого были испытаны на разрыв термообработанные образцы в условиях, затрудняющих пластическую деформацию (образцы с надрезом испытаны в среде жидкого азота). По результатам испытания была установлена корреляция между сопротивлением отрыву и сопротивлением малым пластическим деформациям.

Однако релаксационная стойкость определяется не только микростроением металлической матрицы, но и формой, размерами и количеством графитовых включений в чугуне. До сих пор исследование этого вопроса встречало методические затруднения. Трудно было поставить такой эксперимент, при котором было бы возможно оставлять постоянным строение металлической матрицы чугуна при одновременном изменении геометрических параметров и количества графитовых включений. Это затруднение было преодолено при моделировании графита путем надрезов, наносимых на чугунные образцы с размерами 0,7x12x120 мм.

Результаты исследования однозначно показали значительное влияние надрезов на характеристики релаксационной стойкости чугуна. Отсюда был сделан вывод, что прецизионное литье должно отличаться минимальным содержанием и высокой дисперсностью графитовых включений.

Четвертая глава посвящена результатам исследования предложенных методов термоциклического старения при 493-553 К и комбинированной обработки в сопоставлении с отжигом при 823 К и продолжительном естественном старением.

Для подтверждения предполагаемого механизма и теории старения проведено экспериментальное исследование эволюции при старении измерением внутреннего трения, электросопротивления, теплоемкости, условного предела упругости, эффекта Баушингера, степени закрепления дислокации и размера блоков мозаичной структуры.

Внутреннее трение измерялось при частоте упругих колебаний в пределах 1,2-1,5 Гц при амплитуде сдвиговой деформации на поверхности образцов размером 1,5x1,5x120 ммвпределах от 5x10 5 до 60x10 5.

Удельное электросопротивление измерялось на мосте прибором УПИП-60М на образцах суммарной длиной 400 мм, сечением 1x4 мм.

Эффект Баушингера определялся на образцах сечением 0,7x10x110 мм, которые изгибались на оправке при прямом и обратном нагружении с измерением остаточной деформации через 1 минуту после изменения знака нагружения. Теплоемкость измерялась с помощью специально сконструированного адиабатического калориметра. Размер блоков и искажений второго рода определялся рентгенографически на дифрактометре УРС-50 ИМ с ионизационной регистрацией рентгеновских лучей счетчиком Гейгера.

На температурной зависимости внутреннего трения С!"1 выявлены два максимума (рис. 2).

320

280 240 200

160 120

40

Л

/ \

V

ч3 К

А \ о s а

!"-■ \

О ' / , — О—о/ О-

^О-и-, ■ °—О- 5 —.0-- По-"'

273

373

473

673

Т,К

°0.005 ' Ю"'1®1 10

273

473

Ср, кал/(г*град)

О ^0.005 \

О / о \

0

ср /

673

0,13 0.17 0.15 0.13 0,11 ода

т,к

Рис. 2. Температурная зависимость внут- Рис. 3. Влияние температуры

реннего трения: 1 - исходное состояние; старения на условный предел

2,3 - деформация сжатием, соответственно, упругости и тепло-

на 8 и 26%; 4, 5 - естественное старение, ёмкость С чугуна СЧ21-40 соответственно, на 1 и 2 суток

Первый максимум соответствует температурам 323-353 К и обусловлен миграцией в поле напряжений атомов углерода. Второй максимум расположен в районе температур около 473 К. Природу этого максимума впервые объяснил Кёстер, Как правило, он проявляется в предварительно пластически деформированных металлах. Наличие максимума в чугуне, не подвергавшегося деформации, может быть связано только с автодеформацией металлической матрицы чугуна за счет релаксаций остаточных напряжений второго рода. Поэтому на основании этих исследований можно однозначно утверждать, что старение серого чугуна происходит по механизму динамического деформационного старения. Оно сопровождается увеличением условного предела упругости щооз и теплоемкости Срь следовательно, повышением релаксационной стойкости чугуна (рис. 3).

Известно, что увеличение предела упругости возможно за счет повышения плотности дислокаций или вторичными выделениями, например, третичного цементита, нйтридов и т.д. Весьма важным является установление вклада вносимого дислокационной структурой и отдельно вторичными выделениями в повышении предела упругости чугуна. Для этой цели исследовалась временная зависимость электросопротивления при различных температурах старения чугуна СЧ 21-40. Результаты исследования электросопротивления (рис. 4) показывают, что при старении при 823 К наблюдается непрерывное понижение электросопротивления в связи с разложением цементита перлита. При старении при температурах 473-573 К вначале происходит увеличение электросопротивления, а затем оно падает по мере увеличения продолжительности выдержки.

Повышение электросопротивления связано с ростом числа вакансий и дислокаций, а понижение, как отмечалось выше, объясняется разложением цементита чугуна. Отсюда однозначно следует, что при старении при температурах 473-573 К в начальное время старения (2-4 часа) ведущими являются сдвиговые, а в дальнейшем - диффузионные процессы.

Ведущая роль деформации металлической матрицы чугуна от релаксации остаточных напряжений в начальной стадии старения дополнительно подтверждается и результатами следующих исследований.

Так, при старении серого чугуна при температуре 513 К наблюдается измельчение блоков мозаичной структуры (рис. 5), что связано с дроблением блоков при пластической деформации от релаксации остаточных напряжений. Кроме того, понижение теплоемкости Ср при старении при 523-573 К указывает на наличие тепловых эффектов, что может быть объяснено сдвиговыми процессами, возникающими при релаксации остаточных напряжений (рис. 3).

И, наконец, в исследованиях П.В.Новичкова показано, что энергия активации релаксации напряжений в начальный период составляет 3-4 тыс.

калорий, что значительно ниже энергии активации диффузии углерода (20-26 тыс. калорий), поэтому диффузионные процессы здесь затруднены.

р, 0м*мм2/м 0,79

0,78

а о/?

К

I

§ 0,76 &

8 0,75

0,74

¡5

0,73

—' 473 К

Р7" етзк'

N 573 К

ч

\|

\

\ 323 К\

0.Щ

Число циклов комбинированной обработки Рис.4. Влияние температуры и числа циклов при старении на электросопротивление чугуна С 421-40

Д*10а

9

V

оЧ. -

д<Э/(2*1СГ 2,0

1В

1.4

1,2

Продолжительность старения, ч Рис. 5. Временная зависимость микроискажений второго рода и дисперсности блоков Д^ при старении при 513 К: 1-Д ^;

о

2

На основании теории старения предложенной в работе и экспериментальных исследований наметилось новое направление в металловедении и определены оптимальные технологические процессы предотвращения автодеформации и коробления отливок. Так, старение при температуре 523-573 К существенно повышает релаксационную стойкость, то есть способность чугуна сопротивляться воздействию остаточных напряжений, что объясняется не только вышеизложенным, но и результатами исследования степени закрепления дислокаций. Оказалось, что при таком старении наблюдается максимальное закрепление дислокаций, на что указывают минимальные значения эффекта Баушингера (00,005) и полученного по результатам исследования амплитудной зависимости внутреннего трения (рис. 6).

Значительное место в реферируемой работе отводится микроструктуре чугуна после различных методов старения.

Сложность выявления микроструктуры чугуна связана с многофазностью сплава, необходимостью раздельного выявления графита и металлической основы. Различие электрохимических потенциалов фаз усложняет задачу их одновременного качественного выявления.

а °о.Ш5» кг/м!^

1.75

60

1,25

40

0.75

20 ---4---0.25

---а

273 473 673 873

Температура старения, К

Рис. б. Тангенс угла наклона кривых амплитудной зависимости внутреннего трения - 1; эффект Баушингера - 2

Наиболее трудоемким оказалось исследование дислокационной структуры серого чугуна, в частности, полигональной субструктуры, формирующейся в результате естественного старения.

Методически оправданной оказалась попытка выявить дислокационную структуру на примере высококремнистого серого чугуна. Данных о дислокационной структуре и высококремнистых серых чугунах в опубликованной литературе не встречалось.

В целях повышения контраста малоугловых границ в ферритных зернах была использована методика наблюдения и фотографирования со смещенной апертурной диафрагмой. Эта же методика использована для подтверждения того обстоятельства, что наблюдаемые пятна повышенной травимости представляют собой не выделения второй фазы, а ямки травления, сопутствующие местам выхода дислокаций. Для доказательства дислокационного происхождения ямок травления были использованы и другие методы, в частности, воспроизводимость рельефа после переполировок и повторных травлений, сохранение количества и характера расположения ямок при существенном увеличении времени травления и изменения размеров самих ямок, воспроизводимость характера структуры при работе с несколькими различными реактивами, наконец, образование субграничной структуры по механизму полигонизации, известной для железа.

\

\ 1 о \ о /

\ \ о \ V -У о / /у'

\

-У

Качественное изготовление микрошлифов достигалось при помощи эластичных алмазных дисков разной зернистости и последующей электрополировки в реактиве Мориса.

В качестве объектов непосредственного изучения в электронном микроскопе использовались угольные реплики, оттененные золотом или хромом, которые отделялись с помощью желатины с образцов, ранее использовавшихся для изучения структуры на оптическом микроскопе.

Условия напыления сохранялись постоянными; цвет пленки темно-коричневый.Более тонкие угольные пленки были нежелательны из-за возможности их разрушения на участках графитовых включений в процессе отделения. Для избежания деформации пленки при высыхании они опускались в смесь этилового и изоамилового спиртов.

В результате трехкратного термоциклирования при 513 К наблюдается фрагментация структуры на отдельные субзерна в значительной части металлической матрицы. Размер субзерен соответствует 2-3 мкм. При старении при 823 К образуются субзерна с размерами в 10 раз большими. Следует отметать, что условия выявления и наблюдения субзерен в обоих случаях заметно отличаются. В случае старения при 823 К границы зерен состоят из хорошо различимых уже при оптических увеличениях дислокаций. Их выявление облегчено за счет формирования на них при 823 К более грубых частиц второй фазы. В случае термоциклического старения при 513 К вследствие высокой дисперсности выделений вторых фаз дислокаций декорируются слабо и для выявления полигональной структуры требуется глубокое и продолжительное травление. Границы зерен выявляются в виде "желобков". Разрешение отдельных дислокаций, выстроенных в стенки, возможно при электронномикроскопических увеличениях.

Электронномикроскопические исследования позволили обнаружить в образцах чугуна с 40-летним старением наличие субструктуры, аналогичной структуре чугуна после термоциклического старения при 513 К.

Зубчатый характер границ субзерен объясняется развитием процессов полигонизации в приграничных объемах, когда под влиянием перераспределения дислокаций возможно изменение их плотности в отдельных участках. В результате этого субграница втягивается в то или другое зерио под влиянием поверхностного натяжения данного участка субграницы.

Таким образом, зубчатый характер субграниц в матрице 40-летнего чугуна, по-видимому, целесообразно связать с несовершенностью процесса фрагментации, которая протекает значительно медленнее в естественных условиях старения.

Если исходить из того, что свойства металлической матрицы в основном определяется изменениями в феррите (перлит чугуна содержит около 90 % феррита и 10 % цементита), то многие известные закономерности старения железа и сталей можно перенести на чугун, однако при обязательном учете особого строения чугуна. В частности, в исходном состоянии чугун в силу

особенностей его строения и свойств наследует в локальных объемах высокие значения остаточных напряжений второго рода. В процессе естественного старения или при нагревании и охлаждении при термоциклическом старении происходит избирательно микропластическая деформация отдельных зерен, где стартовые напряжения превзошли предел текучести материала микрозоны.

Для возбуждения микропластической деформации не обязательно приложение внешних напряжений, она может происходить исключительно за счет релаксации внутренних напряжений второго рода в местах концентраторов напряжений у графитовых включений.

Экспериментальные доказательства, приведенные в главе 1 настоящей работы, позволяют утверждать, что микропластические дефомации в локальных объемах в значительной степени определяют топологию старения чугуна, которое по этой причине проходит по кинетике динамического деформационного старения. Появившиеся при пластической деформации "свежие" дислокации и наличие примесей углерода и азота в феррите чугуна являются необходимыми и достаточными условиями для протекания деформационного старения, поскольку энергия активации этого процесса сравнительно мала (3500-4000 кал/моль). Наряду с этим происходит релаксация собственных остаточных напряжений в цементите, на котором сказывается влияние объемных изменений при старении соседних пластин феррита, приводящих к пластической деформации цементита и росту его микротвердости.

Процесс старения основы металлической матрицы - феррита состоит из этапов упорядочения атомов углерода и азота у дислокаций, образования атмосфер, возникновения сегрегации, предвыделений и выделений.

В пятой главе рассмотрены теоретические предпосылки для выбора технологических процессов, оценка существующих методов старения, влияние скорости, температуры нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения при старении, результаты исследования остаточных напряжений, технологической наследственности на коробление базовых деталей металлорежущих станков, подвергавшихся различным видам размерной стабильности.

Термодинамическое равновесное состояние, определяющее стабильность размеров, в известных пределах может характеризоваться предельной энергией поглощения для этого состояния - Е*.

Если подведенная извне энергия Е будет меньше или равной предельной энергии поглощения Е*, то размерная нестабильность и коробление будет отсутствовать.

Размерная нестабильность является следствием движения дислокаций. Энергия, подводимая извне, приводящая к движению дислокаций, складывается из следующего:

Е = Е1+Е2 + Е3 + Е4 + Е5 + Е6+Е1.6 ,

где Е| - энергия перемещения дислокаций при релаксации остаточных напряжений; Е2 - то же, от воздействия постоянных и кратковременных нагрузок; Е3 - то же, от технологических операций в процессе эксплуатации деталей, Е4 - то же, от колебания температуры окружающей среды; Е5 - то же, от структурных превращений, сопровождающихся объемными изменениями; Еб - энергия на выстраивание дислокаций в термодинамически устойчивые построения (стенки, ячейки, сетки и т.д.); Е]_б - от суммарного воздействия указанных факторов.

Условие равновесия системы согласно вышеизложенному будет:

Е] + Е2 + Е3 + Е4 + Е5 + Е6 + Еь6 < Е ,

Из уравнений видно, что размерная стабилизация, снижение коробления могут достигаться следующими основными путями:

1. Увеличением энергоемкости, т.е. повышением предельной энергии поглощения равновесного состояния кристаллитами металлической матрицы чугуна-Е*.

Отметим, что общая энергоемкость чугунной детали может быть повышена путем совершенствования конструкции, увеличением жесткости детали, снижением конструктивных концентратов напряжений, выбором оптимальных марок чугуна, рациональной технологией изготовления и обработки отливок. При прочих постоянных условиях энергоемкость возрастает с увеличением релаксационной стойкости чугуна, т.е. при создании такой структуры, которая обеспечивает наибольшую равномерность поглощения энергии кристаллической решеткой.

2. Снижением общего уровня и, особенно, пиков остаточных и внешних напряжений различного рода - Е} + Ег + Е3 + Е4 + Е5.

3. Понижением потенциальной энергии системы Ей путем закрепления дислокаций в атмосферах, ячейках, сетках и других термодинамически устойчивых построениях дислокаций.

Следует отметить, что подход к различным технологическим процессам с учетом энергетических параметров успешно развивается в России. Так, в работах К.А.Осипова и др. установлена связь между процессом поглощения энергии кристаллической решетки при механическом нагружении до разрушения и нагревом металла до расплавления. В.С.Иванова и Л.К.Гордиенко предложили структурно-энергетический подход, учитывающий связь между значением общей энергии, поглощенной металлом в процессе деформирования и разрушения при механическом нагружении, и объемом металла, принимающего участие в этом процессе.

Исходя из вышеуказанных позиций, в работе дается оценка существующих технологичкских процессов размерной стабилизации.

Производственные испытания базовых деталей металлорежущих станков производились на Одесском заводе радиально-сверлильных станков, на Московском заводе "Станколиния", на Житомирском заводе станков-автоматов, на заводе ЛИАЗ г. Либерец Чехия, на заводе 7Р8 г. Готвальдов Чехия. Наряду с измерением остаточных напряжений определялась деформация от коробления отливок, остаточные напряжения измерялись тензометрически, методом магнитной анизотропии, методом Ренглера-Вигнесса и методом упругого последействия, разработанного на кафедре технологии металлов Воронежского политехнического института, позволяющим за достаточно короткое время (3 часа) иметь полное представление о релаксационной стойкости чугуна. Измерение проводилось специальной линейкой и индикатором часового типа с ценой деления 1 мкм. Деталь перед измерением выставлялась по уровню на четырех регулируемых опорах и выдерживалась в течении 6-10 мин. Затем нагружали сосредоточенной нагрузкой симметрично продольной и поперечной осям детали до появления прогиба, составляющего 1-5% относительной деформации (т.е. в области упругой деформации). Нагружение проводилось равными порциями через каждые 10 минут в течение 1 часа. Выдержка составляла 1 час и столько же разгружение. По величине прогиба строился график "одночасовой ползучести". Суммарное значение деформации остаточного прогиба после снятия нагрузки и деформации при ползучести при одночасовой выдержке дает информацию о релаксационной стойкости изделия при сопротивлении малым пластическим деформациям. Проведена компьютерная обработка результатов эксперимента с использованием пакета программ "ЗТАТКТГКА".

На рис. 7 представлены графики зависимости сопротивления малым пластическим деформациям станин токарного шестишпиндельного автомата 1Б 266-6, выпускаемого Житомирским заводом станков-автоматов.

Анализируя результаты измерений, можно сделать выводы о том, что наиболее хорошо показали себя станины после комбинированного старения.

При почти полном возврате станины в исходное положение после разгружения отмечается значительное уменьшение релаксируемых напряжений и повышение релаксационной стойкости.

При уменьшении релаксируемых во время испытаний напряжений вибростарение показало нестабильность остаточного прогиба, составляющего разброс от -5 до +8 мкм.

Это однозначно говорит о значительном количестве оставшихся напряжений и нестабильном состоянии структуры металла в состоянии поставки. Самый плохой результат по сопротивлению малым пластическим деформациям показал низкотемпературный отжиг. При значительном уменьшении релаксируемых напряжений этот вид старения дал наибольший прогиб под нагрузкой ( до 30 - 40 мкм ), что говорит не только о снижении значительного количества напряжений, но и разупрочнения чугуна.

ДЬ, мкм

ДЬ, мкм

30

20

10

\

и ь в О ! и ¡.0.0-0-о-0-< о о'"'1 •О-О' о \о о С'ОЧ о-,

и о ! \ ^ "•< о „-° о Л

0.0

3,6 7,2

а)

г*10\ сек

У / О ! ?

$ N °\0\

М Р- ¿Л ч

0,0

3£

12

б)

т*10 , сек

Рис. 7. График зависимости сопротивления малым пластическим деформациям четырех станин:

а) старение при 833 К;

б) комбинированное старение

Это подтверждается и наибольшей из всех методов старения

остаточной деформацией, составляющей 15-25 мкм.

Результаты измерения коробления станин в течении года показали

полную достоверность данных одночасовой ползучести (рис. 8).

Анализ полученных результатов показал, что в отливках станины

возникает неравномерное поле остаточных напряжений. Так, если средние

напряжения в отливке находились в пределах 6-7,5 кг/мм в каждой их трех

2

исследуемых станин, то максимальные напряжения превышали 13-15 кг/мм ,

2

минимальные же были на уровне 1-2 кг/мм . Колебание напряжений в отдельных точках станины по длине и в одноименных поперечных сечениях достигали 8-10 кг/мм2 и более. Наиболее напряженными являются участки тонких стенок отливки, близкие к направляющим в углах и различных Т-образпых переходах. После механической обработки наблюдается интенсивное изменение напряжений. Средние напряжения уменьшаются. Снижается почти в два раза максимальная величина напряжений. Как правило, высокие напряжения уменьшаются до средних, а минимальные увеличиваются. После отжига при 823 К наблюдается дальнейшее снижение напряжений. Средние напряжения уменьшаются на 20-40 %.

ЛЬ, мкм ЛЬ, мкм

Рис. 8. Результаты коробления за год станин:

а) после старении при 833 К;

б) после термоциклического старения

При этом снижение напряжений происходит почти во всех точках, однако интенсивность их изменения различна, что, по-видимому, объясняется неравномерным остыванием отдельных элементов отливки после отжига. После естественного старения в течении 1 года, средняя величина остаточных напряжений снижается в меньшей степени, не более 10-12%, наблюдается равномерное поле остаточных напряжений. Пики напряжений снижаются более чем в 4 раза по сравнениюс исходными. Термоциклическое старение при 513 К снижает остаточные напряжения на 11-16 %, одновременно уменьшает неоднородность остаточных напряжений.

Результаты исследований позволяют подтвердить существенное влияние на остаточные напряжения способов термической, механической обработок и операций по транспортировке изделий. Важным является вывод о невозможности прогнозировать направление и величину деформации сложных отливок при короблении от релаксаций остаточных напряжений из-за сложности расчетов. Отсюда вытекает, что практическое значение имеет исследование остаточных деформаций, т.е. размерной нестабильности, а не остаточных напряжений в отливках.

Обычно технологический маршрут изготовления базовых деталей, в частности станин прецизионных станков, складывается из следующих последовательных операций: черновая механическая обоработка,

транспортировка, старение, транспортировка, чистовая механическая обработка, транспортировка, сборка, вылеживание.

С точки зрения выбора оптимального технологического процесса размерной стабилизации весьма важно проследить влияние технологической наследственности на коробление и размерную нестабильность отливок.

Измерение коробления начиналось после чистовой обработки. Степень коробления оценивалась по изменению прямолинейности направляющих в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а также по взаимному расположению направляющих - извернутости.

Измерение прямолинейности отдельных направляющих в вертикальной плоскости и извернутости осуществлялось уровнем с ценой деления 0,02:1000 мм с помощью специальных мостиков. Прямолинейность направляющих в горизонтальной плоскости измерялась автоколлиматором. Направляющие разделялись на равные интервалы (площадки), в корорых вели измерения. Число интервалов определялось базой измерительного мостика равной 175200 мм.

С помощью автоколлиматора и уровня измеряются угловые величины. Сущность этих измерений заключается в том, что определяется взаимное расположение соседних элементарных площадок на поверхности направляющих относительно друг друга, последовательно в намеченных точках по всей длине направляющей, т.е. используется метод геометрического нивелирования.

Отсчет по уровню производился с оценкой на глаз до 0,1 деления. Погрешности измерения непрямолинейности уровнем находились в пределах 30-35 %, а автоколлиматором - в пределах 25-35 % и составляли 2-3 мкм на всю длину направляющих. Измерение деталей производилось в термоконстантном цехе, где поддерживалась температура +293 + 1 К. Влияние температуры на коробление и точность измерений, таким образом, было сведено к минимуму. Станины устанавливаются на трех или более опорах на специальных плитах. Опоры выбирались так, чтобы деталь находилась в достаточно устойчивом положении, нагрузка на опры была бы одинаковой, а деформации под действием собственного веса были бы минимальными. Столы, суппорта, каретки и др. детали устанавливались на контрольной плите. Перед измерением детали выставлялись по уровню с отклонением до 0,01 мм/м.

При исследовании коробления от релаксации остаточных напряжений после различных методов старения детали на длительное время 1-12 месяцев устанавливались на фундаментную плиту. Периодичность проверки профиля направляющих в этом случае, а также в процессе естественного старения составляла 1-2 раза в месяц. В отдельных случаях проводились исследования коробления станин, находящихся в эксплуатации. Контроль профиля направляющих в этом случае осуществлялся через 2-3 месяца в течение 1,52 лет.

В соответствии с изложенной методикой было исследовано 136 наименований деталей.

При обработке результатов измерений принимался графический способ, так как графическое изображение наглядно дает представление о действительной форме направляющих.

В результате изучения вопроса о методике обработки результатов эксперимента оказалось целесообразным исходить также из следующих соображений. Измеренные отклонения точек от прямолинейности после построения образуют какую-то суммарную площадь. Последняя характеризует работу коробления или изменение свободной энергии системы в процессе старения. Результаты исследования абсолютных деформаций и динамики работы коробления в сопоставимых условных единицах, приведенные для станин прецизионных станков различных моделей, позволили оценить влияние технологической наследственности на коробление отливок.

Из-за низкой релаксационной стойкости наблюдается максимальное коробление после транспортировки станин, отожженных при 823 К. Последующее естественное старение в течение б месяцев практически не улучшает релаксационную стойкость чугуна, поскольку повторная транспортировка вновь вызывает по сравнению с другими наибольшую деформацшо коробления этих станин. Таким образом, подтверждается ранее сделанный вывод теперь уже на отливках о незначительном изменении свойств отливок в процессе естественного старения, если они предварительно отжигались при 823 К и затем охлаждались медленно до комнатных температур. Они всегда будут отличаться низкой релаксационной стойкостью и непостоянством размеров при пагружении их в процессе эксплуатации.

Даже станины, которые не подвергались отжигу, имеют меньшее коробление при транспортировке. В дальнейшем после естественного старения они отличаются несравненно большей стабильностью размеров после транспортировки, чем станины, отожженные при 823 К.

Минимальным короблением отличаются станины после комбинированной обработки и термоциклического старения при 513-553 К. В этом случае коробление уменьшается в десятки раз по сравнению со станинами, отожженными при 823 К или естественно состаренными.

Высокой размерной стабильностью отличаются изделия Одесского завода радиально-сверлильных станков, что достигается введением в состав шихты природнолегированных чугунов и большой жесткостью станин. Так станина 2706П показала сравнительно небольшое коробление после любого способа старения, однако и здесь несравненно лучшие результаты по размерной стабильности достигнуты путем термоциклического старения.

В настоящее время на указанных заводах внедрен технологический процесс размерной стабилизации путем термоциклического старения, осуществляемый в следующей последовательности.

Корпусные детали проходят почти полный цикл механической обработки (снимается до 95 % общего объема припуска). На окончательную обработку направляющих оставляется припуск не более 0,3-0,4 мм/м. Затем следует термоциклическое старение по режиму: нагрев до температуры 513-553 К, выдержка при этой температуре 1-2 часа, последующее охлаждение на воздухе до 343-373 К, повторный нагрев до температуры 513-553 К, выдержка 2-3 часа и охлаждение на спокойном воздухе.

Весь процесс нагрева, выдержки, охлаждения при термоциклическом старении длится 12-14 часов, что более чем в 2 раза уменьшает время по сравнению с обычным отжигом при 823 К.

Метод комбинированного старения внедрен на Житомирском заводе станков-автоматов, Воронежском заводе ОАО Воронежпресс, а работа, выполняемая в рамках международного сотрудничества в Чехии включена в план мероприятий по внедрению в отраслях РСФСР и направлена в Госплан РСФСР. Метод комбинированного старения аттестован ВНИЦСМВ в виде Государственного стандарта под N ГСССД МЭ 106-97.

Применение предложенного способа размерной стабилизации чугунных литых деталей обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:

а) высокую размерную стабилизацию геометрических параметров с течением времени;

б) способ дает возможность назначать наименьшие припуски деталям перед окончательной обработкой резанием за счет минимального коробления в процессе размерной стабилизации;

в) снижение времени и энергозатрат на обработку деталей;

г) позволяет обходиться без специального оборудования;

д) уменьшает вероятность трещинообразования и разупрочнения металла;

е) позволяет обрабатывать детали любых размеров.

Отличаясь высокой эффективностью и универсальностью, широкое внедрение указанных методов размерной стабилизации может привести к значительной экономии средств.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На базе термодинамических условий равновесия определены предпосылки для выбора оптимальных технологических процессов размерной стабилизации чугунных стливок. Эти процессы должны обеспечивать в отливках уменьшение величины остаточных напряжений, их выравнивание путем уничтожения пиков напряжений, понижение потенциальной энергии системы, повышение релаксационной стойкости и энергоемкости металлической матрицы чугуна.

Широко распространенный в промышленности метод размерной стабилизации путем отжига отливок при 823 К, несмотря на достигаемое при этом значительное снижение остаточных напряжений, сопровождается одновременным уменьшением релаксационной стойкости чугуна.

На основании вышеизложенного, отжиг при 823 К не может являться надежным методом размерной стабилизации и его широкое распространение не оправдано.

2. В связи с отсутствием стандартных методов и аппаратуры для оценки релаксационной стойкости чугуна предложена методика определения этой характеристики по сопротивлению малым пластическим деформациям и кинетике прямого и обратного упругого последействия.

3. Оптимальными оказались предложенные в работе процессы размерной стабилизации путем термоциклического старения при температурах 493-553 К и комбинированной обработки.

С привлечением высокочувствительных методов исследования (внутреннее трение, калориметрия, электросопротивление, термоЭДС, рентгеноскопия, электронная и световая микроскопия и т.д.) и расчетами было установлено, что высокая стабильность дислокационной структуры, сформированной в результате термоциклического и комбинированного старения, обусловлена разрядкой "пиковых" напряжений, закреплением дислокаций атомами примесей, образованием полигональной структуры, измельчеиием блоков и вторичными выделениями.

4. Показано, что длительное естественное старение (40 лет) способствует созданию полигональной структуры, аналогичной наблюдаемой при термоциклическом старении при 493-553 К. Расчеты показали, что при длительном естественном старении, а также при искусственном старении возможно формирование полигональной субструктуры путем переползания краевых дислокаций.

5. В несостаренных образцах из серого чугуна впервые обнаружены два максимума низкотемпературного трения, приходящиеся на температуры 318325 К и 453-463 К. Первый максимум интерпретируется как пик Сноека. Второй максимум, вероятно, имеет деформационную природу, является пиком Сноека-Ке. Деформация металлической матрицы является результатом релаксации напряжений второго рода в процессе старения при переходе чугуна в новое квазиравновесное состояние.

Наличие деформации подтверждается обнаруженной повышенной плотностью дислокаций металлической матрицы вблизи графитовых включений, расчетами взаимодействия дислокаций, имеющими границу раздела, анализом устойчивости дислокационных стенок в гетерофазных материалах, содержащих слоистые включения с различными упругими постоянными.

6. При помощи математического планирования эксперимента на пневматическом релаксаторе впервые определена роль остаточных напряжений

второго рода и включений графита . в изменении модуля упругости серого чугуна с перлитной и ферритной матрицами. Показано, что роль остаточных напряжений в снижении модуля упругости возрастает с увеличением суммарного содержания графита.

7. Показано, что наряду с термической обработкой релаксационная стойкость чугуна может быть повышена незначительным легированием хромом и никелем, а также уменьшением толщины отливок, что способствует формированию дисперсных пластинчатых структур металлической матрицы и графита.

8. Мартенситная структура закаленного чугуна отличается минимальной релаксационной стойкостью. Значительное повышение релаксационной стойкости возможно путем отпуска чугуна на зернистый троостит при 573 К. Отклонение от этой температуры отпуска в ту или другую сторону понижает эти характеристики.

9. В порядке понижения релаксационной стойкости исследованные чугуны располагаются в следующей последовательности:

а) легированный чугун после термоциклического старения при 513-553 К и комбинированной обработки;

б) обычный серый чугун после такой же обработки;

в) чугун после закалки и отпуска на 573 К;

г) легированный чугун после закалки и отпуска на 773 К;

д) легированный чугун в состоянии поставки;

е) легированный чугун после старения при 823 К;

ж) обычный чугун в состоянии поставки;

з) обычный чугун после закалки и последующего отпуска на 773 К;

и) обычный чугун после отжига при 823 К.

10. В отличие от известного факта отсутствия корреляции между сопротивлением малым пластическим деформациям и большим, в данном исследовании установлена корреляция между сопротивлением малым пластическим деформациям и сопротивлением отрыву.

Максимальное сопротивление малым пластическим деформациям зернистого троостита одновременно соответствует максимальному сопротивлению отрыву за счет нормальных напряжений.

11. Сформулированы основы старения чугуна при температурах ниже 573 К, исходящие из того, что определяющим в свойствах при естественном и искусственном старении являются изменения, происходящие в металлической матрице чугуна, особенно в феррите:

а) резкая гетерофазность структуры ответственна за прохождение динамического деформационного старения серого чугуна, что отличает этот процесс от старения железа и стали, где в подобных условиях динамическое деформационное старение не происходит;

б) наряду с упорядочением растворенных атомов, образованием атмосфер у дислокаций и их перестройки при динамическом деформационном

старении возникают выделения на дислокациях, растущие в полях внутренних напряжений со сравнительно большой скоростью от 3x10 до

4

2x10 А/с, соответственно для 293 К и 513 К;

в) старение сопровождается закреплением дислокаций, изменением электросопротивления и выделением тепла при старении в пределах 4-7 Дж/г;

г) энергия активации процессов релаксации напряжений и возврата внутреннего трения при старении серого чугуна в интервале температур 423523 К, равна 0,2-0,4 эВ. Время релаксации, приведенное к 293 К, изменяется от 300 ч до 25 ч, соответственно для температур старения 423 и 523 К.

12. Экспериментально подтверждено, что замедленное охлаждение в интервале 823-493 К не создает благоприятных условий для возбуждения динамического деформационного старения при последующей выдержке чугуна при 493-553 К. По этой же причине не имеет перспектив способ предотвращения коробления отливок путем отжига при 823 К и последующего медленного охлаждения в интервале 723-503 К.

13. Предложенные в настоящем исследовании технологические процессы размерной стабилизации внедрены на Одесском заводе радиально-сверлильных станков, на Московском заводе "Станколиния", на Новочеркасском станкостроительном заводе, на Житомирском заводе станков-автоматов, на заводе ЛИАЗ г.Либерец Чехия, Воронежском заводе ОАО Воронежпресс, где в соответствии с прилагаемыми актами внедрения получен существенный экономический эффект, а метод комбинированного старения аттестован в виде Государственного стандарта.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1. Осинцев А.Н., Жуков В.В. Методика точного определения параметров решетки при ассиметричной съемке с эталоном // Удостоверение о регистрации N 45417. 1964.

2. Осинцев А.Н., Жуков В.В. Влияние вибрационной нагрузки на структуру и свойства сплавов в процессе его испытания на выносливость // Исследование жаропрочных сплавов на никельхромовой основе. Воронеж: ВПИ, 1974. С. 37-40.

3. К вопросу о аномалии температурной зависимости предела усталости сплавов / В.С.Постников, П.В.Новичкоб, А.Н.Осинцев и др. // Материаловедение. Воронеж. N 5. 1977. С. 71-74.

4. Осинцев А.Н., Новичков П.В., Корнеев В.И., Ковалев Н.П. Предотвращение автодеформации и коробления литых деталей из серого чугуна. Информационный листок ЦНТИ, г.Воронеж, 1977 г.

5. Сравнительный анализ различных методов стабилизации чугунных базовых деталей: Отчет о НИР ВПИ. N ГР 78006220. Воронеж, 1978. 86 с.

6. Новичков П.В., Осинцев А.Н. Исследование механизма старения серого чугуна// Материаловедение. Воронеж, 1978. N 6. С. 20-26.

7. Внутренние напряжения в сером чугуне / Я.Чех, А. Фиала, А.Н.Осинцев и др. // Внутренние напряжения и поверхностное упрочнение. Цвикау, 1982. С. 199-206.

8. Осинцев А.Н. Изучение релаксации внутренних напряжений в чугуне // Внутренние напряжения и поверхностное упрочнение. Цвикау, 1982. С. 239240.

9. Термоциклическое старение литья опок / А.Н.Осинцев, Г.Н.Корсаков, Я.Чех и др. // Литейное производство. 1984. N 2. Брно. С. 61-63.

10. Опыт применения новых методов размерной стабилизации отливок для станков / А.Н.Осинцев, Г.Л.Корсаков, А.Фиала и др. // Литейное производство. N 4. Брно, 1984. С. 155-158.

11. Измерение внутренних напряжений в сером чугуне методом Рендлера-Вишесса / А.Н.Осинцев, Я.Чех, А. Фиала и др. // Неразрушакяцие методы контроля: Сб. матер. X междунар. симп. Москва, 1982. С. 283-289.

12. Осинцев А.Н., Корсаков Г.Л. Исследование энергии активации релаксации напряжений и возврата внутреннего трения в чугуне И Физика прочности и пластичности металлов и сплавов: Тез. докл. X всесоюз. конф. Куйбышев, 1983. С. 230-231.

13. Осинцев А.Н., Корсаков Г.Л., Чех Я. Оценка методов размерной стабилизации чугунных литых деталей // Проблемы качества и эффективности литейного производства: Тез. докл. двенадцатой междунар. конф. Враца, 1984. С. 24-25.

14. Беликов А.М., Осинцев А.Н., Корсаков Г.Л. Оценка методов размерной стабилизации чугунных литых деталей / ВГТУ. Воронеж. Деп. в Черметинформации. Москва. N ЗД/3174.

15. Осинцев А.Н., Семичев А.Н., Трофимов В.Т. Повышение долговечности материалов ультразвуком // Рационализация в машиностроении: Сб. тр. междунар. конф. Цвикау, 1985. С. 218-219.

16. Влияние ультразвука на демпфирующие свойства чугунов / А.Н.Осинцев, А.Н.Семичев, Г.Л.Корсаков и др. / ВГТУ. Воронеж, 1986. Деп. в Черметинформации. Москва. N ЗД/3175.

17. Осинцев А.Н. Комбинированная размерная стабилизация чугунных литых деталей // Современные упрочняющие технологии в машиностроении: Тез. докл. научно-техн. сем. Курск, 1988. С. 33-34.

18. Осинцев А.Н. Исследование высокопрочного бейнитного чугуна методом внутреннего трения // Материалы и упрочняющие технологии в машиностроении: Тез. докл. рег. научно-техн. конф. Курск, 1989. С. 21-22.

19. Семичев А.Н., Осинцев А.Н. Исследование изменений структуры и свойств композиционных материалов системы карбид-кобальт при

ультразвуковом воздействии // Материалы и упрочняющие технологии - 91: Матер, докл. per. научно-техн. конф. Курск, 1991. С. 65-66.

20. Семичев А.Н., Осннцев А.Н., Кузнецов Д.В. Влияние ультразвуковой обработки на механические свойства сплавов // Материалы и упрочняющие технологии - 92: Матер, докл. per. научно-техн. конф. Курск. 1992. С. 74-82.

21. Осинцев А.Н. Комбинированная размерная стабилизация чугунных литых деталей // Теория и практика машиностроительного оборудования: Тез. докл. междунар. научно-техн. конф. Воронеж, 1996. С. 75-76.

22. Влияние ультразвука на демпфирующие свойства чугунов / А.Н.Осинцев, А.Н,Семичев, В.И.Корнеев и др. // Теория и практика машиностроительного оборудования: Тез. докл. междунар. научно-техн конф. Воронеж, 1996. С. 78-79.

23. Осинцев А.Н., Корнеев В.И., Чех Я. Исследование факторов, влияющих на демпфирующие свойства высокопрочных бейнитных чугунов // Теория и практика машиностроительного оборудования: Тез. докл. междунар. научно-техн. конф. Воронеж, 1996. С. 85-86.

24. Обеспечение размерной стабильности базовых деталей станков / А.Н.Осинцев, В.И.Корнеев, Ю.С.Скрипченко и др. // Теория и практика машиностроительного оборудования: Тез. докл. междунар. научно-техн. конф. Воронеж, 1996. С. 86-87.

25. Осинцев А.Н. Структурно-энергетические факторы, влияющие на автодеформацшо чугунных деталей // Материалы и упрочняющие технологии-97: Матер. V научно-техн. конф. с междунар. участием. Курск, 1997. С. 140148.

26. Осинцев А.Н. Чугун. Стабильность размеров после комбинированного старения / ВГТУ. Воронеж, 1997. Деп. во ВНИЦСМВ. 24.09.97. N 771-97 кк.

27. Осинцев А.Н. Чугун. Стабильность размеров после комбинированного старения // Методика ГСССД. Аттестат. 24.09.97. N ГСССД МЭ 106-97.

28. Осинцев А.Н. Старение серого чугуна. Воронеж: ВГТУ, 1997.199 с.

29. Осинцев А.Н., Полухин Э.А. Исследование демпфирующих свойств высокопрочных бейнитных чугунов // Теория и практика машиностроительного оборудования: Тез. докл. междунар. научно-техн. конф. Воронеж, 1997. С. 91-92.

30. Осинцев А.Н., Корнеев В.И., Булавин Е.С. Изучение релаксации напряжений в чугунах // Теория и практика машиностроительного оборудования: Тез. докл. междунар. научно-техн. конф. Воронеж, 1997.

С. 99-100.

31. Корнеев В.И., Осинцев А.Н., Кондратьев М.В. Влияние различных методов старения литых станин на сопротивление малым пластическим

деформациям // Теория и практика машиностроительного оборудования: Тез. докл. междунар. научно-техн. конф. Воронеж, 1997. С. 100-101.

32. Осивцев А.Н., Фалеев C.B. К вопросу об экологии технологических процессов // Теория и практика машиностроительного оборудования: Тез. докл. междунар. научно-техн. конф. Воронеж, 1997. С. 123-124.

- .члитум ВАК Росе« .--«?©, ¡9, ОЕ- <Г

ТЪ/Шь

ЩШ^ДМА учеМ^Ш ТЗГвКеШ» ДОК.1'' '; /г

ОСИНЦЕВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

А

К' / / /-; " " . -

!

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТРУКТУРНОЙ И РАЗМЕРНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ

СЕРОГО ЧУГУНА

Специальность 05.16.01 - "Металловедение и термическая обработка

металлов"

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

КУРСК -1998

Содержание Вв е д ени е_:_4

1. Изучение особенностей строения и свойств серого

чугуна. _8

1.1. Исследование дислокационной структуры серого

чугуна_:_8

1.2. Исследование напряженного состояния и свойств кристаллитов чугуна_13

1.3. Изучение температурной зависимости внутреннего трения_;_16

1.4. Влияние искажений второго рода на характеристики упругости_26

2. Изучение релаксации напряжений в чугунах_41

2.1. Основные теоретические зависимости_41

2.2. Механизмы релаксации напряжений_50

2.3. Исследование факторов, влияющих на процесс релаксации напряжений_:_51

2.4. Теории релаксации напряжений_70

2.5. Описание теории релаксации напряжений

в гетерофазных сплавах_76

3. Изучение релаксационной стойкости_:_80

3.1. Способы повышения релаксационной стойкости_80

3.2. Выбор метода и аппаратуры для исследования релаксационной стойкости_83

3.3. Характеристики выбранной аппаратуры_88

3.4. Методика эксперимента_:_91

3.5. Влияние механикотермического старения на характеристики релаксационной стойкости

чугуна_:_:___94

3.6. Влияние термического старения_95

3.7. Влияние легирования_101

3.8. Влияние толщины отливок_105

3.9. Влияние микроструктуры металлической матрицы

и графитовых включений в чугуне_108

4. Исследование термоциклического старения чугунных отливок при температуре 473 - 553 К ____122

4.1. Изменение физико-механических свойств при термоциклическом старении_^_122

4.2. Калориметрические измерения тепловых эффектов

при старении чунуна_134

4.3. Энергия активации релаксации напряжений

и возврата внутреннего трения_147

4.4. Морфология микроструктуры чугуна_150

4.5. Обоснование низкотемпературного старения чугуна_157

5. Исследование производственных технологических процессов размерной стабилизации чугунных отливок_167

5.1. Оценка основных методов структурной и размерной

стабилизации отливок из серого чугуна_167

Основные выводы_:_195

Список использованной литературы_200

Приложение_215

ВВЕДЕНИЕ

Машиностроение - важнейшая отрасль промышленности. Его продукция - машины различного назначения поставляются всем отраслям народного хозяйства. Технический прогресс в машиностроении характеризуется не только улучшением конструкций машин,но и непрерывным совершенствованием технологии их производства. В настоящее время, когда рыночные отношения приобретают определяющий характер во всех сферах производства, важно качественно, надежно, дешево и в заданные сроки с минимальными затратами изготовить машину, применив современное оборудование, технологию и инструмент.

Одним из широко применяемых материалов в любом машиностроении является чугун вследствие его высокой эксплуатационной надежности и долговечности.

От других материалов системы железо - углерод 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 оставляет в них значительные внутренние напряжения. Графитовые включения, действуя на концентраторы напряжения, изменяют модуль упругости. Все это предопределяет анизотропию напряженного состояния, свойств и характеризует повышенную склонность чугуна к ползучести, релаксации напряжений и, в конечном счете, к способности сохранять или нарушать начальную форму и размеры отливок. Даже при строгом постоянстве благоприятных внешних условий материал отливок в какой-то мере изменяет свои свойства, поскольку он, как микроскопическая система, практически всегда находится в состоянии неполного термодинамического 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 представляет постоянно возрастающие требования к точности машин, приборов и других механических систем.

Вопросы напряженного состояния и стабильности форм отливок, всегда волновавшие литейщиков, металловедов и термистов, особенно активно стали изучаться в последние 20 лет. В этот период появилось значительное количество исследовательских работ, касающихся различных аспектов проблемы внутренних напряжений: изучения физических явлений, создания более точных расчетных методик, совершенствования техники измерения напряжений и т.д. Наиболее существенные результаты достигнуты в работах теоретического направления, однако почти все они по существу сводятся к изучению явлений и процессов в отливках с помощью закономерностей теоретической механики и сопротивления материалов.

Одним из направлений при решении проблемы размерной стабилизации 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 настоящего времени подавляющее большинство исследователей размерную нестабильность не связывали с релаксационной стойкостью материала, а считали ее функцией от остаточных напряжений первого рода. Однако оказалось, что величина имеющихся в чугунных отливках остаточных напряжений однозначно не определяет их коробления, что подтверждается, например, практикой естественного старения, при котором остаточные напряжения в отливках снимаются незначительно (7-10 %), в то же время естественное старение до сих пор считается одним из самых надежных методов стабилизации.

Признание определяющей роли остаточных напряжений в короблении объясняет причину того, что субструктура, релаксационная стойкость и релаксационные явления в чугуне до сих пор находятся в начальной стадии изучения. До настоящего времени в промышленности релаксационная стойкость чугуна никак не контролируется, суждение о пригодности чугуна для прецизионных отливок выносится по результатам испытаний на разрыв, изгиб и твердость, т.е. по сопротивлению материала большим пластичес-

ким деформациям. В то же время релаксационная стойкость выражается сопротивлением не большим, а малым пластическим деформациям.

Отсутствие корреляции между сопротивлением малым и большим пластическим деформациям показывает, что общепринятые испытания чугуна не дают представлений ни о релаксационной стойкости к размерной нестабильности прецизионных чугунных отливок.

Следовательно, при решении проблемы размерной стабилизации отливок объектом исследования должно быть не только действие силовых, конструктивных и технологических факторов на напряженность отливок, но и физические свойства их материала, в данном случае чугуна.

Поэтому разработка технологических основ структурной и размерной стабилизации серого чугуна за счет воздействия внешними факторами на металлическую матрицу является актуальной проблемой.

Цель работы. Разработка технологических основ структурной и размерной стабилизации серого чугуна путем термовибрационного воздействия на металлическую матрицу, обеспечивающего формирование оптимально стойкой структуры, и практических методов старения серого чугуна.

Для достижения этой цели, используя новый с позиции субструктурного упрочнения подход, в данной работе решались следующие задачи:

1. установление типа субструктуры металлической матрицы чугуна, обеспечивающей наивысшую релаксационную стойкость и размерную стабильность отливок;

2. установление закономерностей влияния технологических факторов (температуры, времени, вибрации) на формирование субструктуры серого чугуна;

3. изучение механизмов релаксации остаточных напряжений в чугуне;

4. установление корреляции между сопротивлением малым и большим пластическим деформациям, структурой и свойствами серого чугуна;

5. разработка' методики прогнозирования релаксационной стойкости базовых деталей станков путем определения сопротивления малым пластическим деформациям металлической матрицы чугуна;

6. разработка и внедрение в производство оптимальных технологических процессов структурной и размерной стабилизации чугуна.

В соответствии с вышеизложенным расположены главы настоящего исследования.

В первой главе показано дислокационное строение чугуна, приведены теоретические и экспериментальные объяснения причин формирования особой дислокационной структуры серого чугуна, значение межфазовых границ в гетерофазном материале, а также роль остаточных напряжений второго рода в формировании тонкой структуры, упругих и неупругих характеристик серого чугуна. Приведено теоретическое и конструктивное обоснование двух высокочувствительных оригинальных установок специально разработанных для решения поставленных задач.

Вторая глава посвящена теоретическим аспектам проблемы релаксации напряжений, где рассмотрены принципиальные схемы ползучести и релаксации напряжений, влияние различных факторов на релаксацию, механизмы релаксации напряжений. Приведена теория релаксации напряжений в гетерофазных сплавах.

В третьей главе рассмотрены способы повышения релаксационной стойкости, методы ее измерения и влияние на нее термо-ме-ханического и механико-термического старения, химического состава, толщины стенки отливки, микроструктуры и других факторов.

Четвертая глава посвящена результатам исследования предложенных методов термоциклического старения при 493-553 К и комбинированной обработки в сопоставлении с отжигом при 823 К. Приведены амплитудная зависимость внутреннего трения, энергии активации, время релаксации, эффект Баушингера, электросопротивление, калориметрические эффекты, рентгеноструктурный анализ тонкой структуры, электронно-графические исследования и т.д. Рассмотрены механизмы возникновения полигональной субструктуры и теория низкотемпературного термоциклического старения чугуна.

В пятой главе рассмотрены существующие методы структурной и размерной стабилизации отливок из серого чугуна и дана их оценка. Приводятся результаты исследования двух новых способов размерной стабилизации в сравнении с существующими на предприятиях.

1. ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ СЕРОГО ЧУГУНА

1.1. Исследование дислокационной структуры чугуна

Неоднократные исследования серого чугуна на световом и электронном микроскопах позволили выявить повышенную концентрацию ямок травления, наблюдаемую у границ зерен феррита у межфазовой поверхности с графитом [1]. Стравливание и изучение при фокусировке микроскопа на дно ямок травления подтверждает, что последние являются следствием выхода дислокаций на поверхность металла.

Дислокационная структура показывает, что при релаксации напряжений или при росте графита в процессе формирования структуры металлическая матрица деформируется анизотропно, деформация локализуется вокруг графита. Предполагается, что при росте графита происходит пластическая деформация феррита вдоль направления <110> , что отвечает возможным плоскостям скольжения {110} и {112} или вдоль направления <111> с плоскостями скольжения {110}, {112} и {123}.

Повышенную плотность дислокаций у границ двух фаз с разными упругими постоянными можно предсказать теоретически, анализируя взаимодействие дислокаций в неоднородных средах (например, в феррите с цементитом или феррите с графитом и т.д.).

Так, ранее Хэдом было найдено выражение для поля упругих напряжений, создаваемых краевой дислокацией, находящейся вблизи плоской границы раздела двух сред с различными упругими постоянными. Была также вычислена сила, действующая на дислокацию со стороны границы.

При расчете равновесных дислокационных конфигураций требуется знание характера взаимодействия дислокаций, находящихся в средах с различными упругими постоянными. При интерпретации экспериментальных данных влияние границы раздела двух сред на взаимодействие дислокаций обычно учитывается "коэффициентом экранизации", не имеющим аналитического выражения.

В исследовании, проводимом под руководством П.В. Новичко-ва, Ю.А.Федоров произвел расчет силы взаимодействия между краевыми дислокациями, находящимися в различных упругоизотропных полубесконечных средах, разделенных границей [3, 4]. Результаты расчетов представлены графически на рис. 1.

р*10"2

11

5 -

О

-1

-2

-3

О

Рис. 1. Зависимость силы , действующей на дислокацию, от логарифма расстояния дислокации до границы раздела двух сред

Будем считать, что находящаяся в цементите дислокация является сидячей, а дислокация в феррите может перемещаться. На рис. 1 в полулогарифмическом масштабе показана величина силы, действующей на дислокацию, в зависимости от логарифма расстояния дислокации от границы раздела. Кривые I и II соответствуют различным расстояниям дислокации от границы. Кривая I соответствует случаю, когда дислокация находится на расстоянии 10 нм, а кривая II - когда дислокация находится на расстоянии 100 нм от границы. Из рис. 1 видно, что граница ослабляет силу взаимодействия между дислокациями. На второй кривой имеется точка, где на дислокацию не действует сила. Следует отметить, что в отсутствие дислокаций в цементите граница все время притягивала бы дислокации, находящиеся в феррите, как показывает кривая III на рис. 1. Положение дислокации в точке с нулевой силой не является стабильным: при небольшом отклонении на дислокацию начинает действовать увеличивающаяся сила того или иного знака, так что притяжение к границе сказывается лишь на небольших расстояниях от границы. Поэтому следует ожидать, что около границы раздела в рассматриваемом случае будут образовываться дислокационные скопления, а далее - наблюдаться места с пониженной плотностью дислокаций.

Граница раздела между графитом и ферритом также будет притягивать к себе дислокации, находящиеся в феррите. Взаимодействие же между дислокациями, находящимися в феррите и в графите, должно проявляться весьма слабо.

Представление о распределении дислокаций дает также решение задачи об устойчивости дислокационных стенок в пластинчатых включениях или чередовании слоев с различными упругими постоянными (феррит + цементит, феррит + графит).

Будем рассматривать стенки из краевых дислокаций, линии дислокаций параллельны поверхности раздела. Температуру считаем настолько большой, что возможно не только скольжение, но и неконсервативное движение дислокаций.

Если плоскость дислокационной стенки параллельна поверхности раздела, то граница раздела практически не влияет на такие стенки, так как напряжение, создаваемое находящимися в стенке дислокациями, спадает экспоненциально по мере удаления от стенки.Рассмотрим стенки, плоскость которых перпендикулярна поверхности раздела. Такие стенки наблюдались в цементите.

Пусть дислокационная стенка находится в пластине толщиной 26. Модуль Юнга материала пластины Е1, модуль матрицы Е2, коэффициенты Пуассона в матрице и включении примем одинаковыми и равными V. Будем считать, что составляющие стенку дислокации имеют неограниченную длину, линии их направлены вдоль оси г, векторы Бюргерса Ь - вдоль оси X, плоскость стенки совпадает с плоскостью уг (рис. 2). Если дислокация находится у границы, разделяющей две полубесконечные области с упругими постоянными Е} и Е2 и вектор Бюргерса перпендикулярен границе раздела, то выражение для силы, действующей на дислокацию со стороны границы, можно с достаточно хорошей точностью записать в виде

Ео-Е^ 1 г д -------- . — 5 (1)

Ег+Е! 2-х где х - расстояние дислокации от границы,

Е< ■ Ь

д =--------- _ (2)

4-Я- (1--У2)

Если вектор Бюргерса параллелен границе раздела, то выражение для силы, действующей в направлении оси У, будет аналогично выражению (1), где х надо заменить на у. Если принять приближение (2), то сила, действующая на дислокацию, находящуюся в пластине, выразится в виде ряда по степени (Ег-Е1)/(Ег+Е1) аналогично выражению для силы, действующей на винтовую дислокацию, находящуюся в пластинчатом включении..

Будем рассматривать случай, когда разница между модулями Юнга матрицы и включения настолько мала, что можно ограничиться первыми степенями {Ег-Е1)/