ПРОГНОЗ ПРОЧНОСТИ СЕРОГО ЧУГУНА ПО ПАРАМЕТРАМ

148
УДК 669. 162. 275. 144: 539. 4
Л. В. Палаткина, С. Е. Морозов
ПРОГНОЗ ПРОЧНОСТИ СЕРОГО ЧУГУНА ПО ПАРАМЕТРАМ ПЕРВИЧНОЙ СТРУКТУРЫ
Волгоградский государственный технический университет
Введение. Кроме графита, фазовый состав и свойства составляющих вторичной структуры сталей
и чугунов практически идентичны:
σв перлита = 600–800 МПа; σв феррита = 400 МПа.
Прочность стали определяется принципом аддитивности свойств составляющих вторичной структуры, оценив металлографически их объемные доли, можно с достаточной точностью найти [1]:
σвстали = f перлита·σв перлита + f феррита ·σв феррита
(1)
Выводы, сделанные многими авторами [2, 3, 4], напротив указывают на несущественность влияния вторичной структуры при прогнозе прочностных свойств отливок серого чугуна, хотя ГОСТ
3443–87 и регламентирует ее как основу для определения свойств, что фактически является не точным. Широкое распространение экспрессного контроля качества отливок, основанного на дифференциально-термическом анализе процесса затвердевания, по характеру кривой охлаждения подтверждает определяющую роль в формировании свойств чугуна именно первичной структуры [5, 6], что связано с особенностью первичных дендритов чугуна сохранять свою исходную морфологию, а
междендритной жидкости – затвердевать в виде эвтектических ячеек. Образованная композиция аналогична строению искусственного композиционного материала упрочненного дискретными волокнами, где дендритные кристаллы армируют ячейки эвтектики [7].
Вторичная структура серого чугуна взаимосвязана с первичной: дендритный и эвтектический аустенит из-за микроликвации может обладать различным составом, и перлитное превращение в этих
микроликвационных зонах будет протекать по-разному, ветви дендритов проявляют повышенную
склонность к графитизации и образованию структурно свободного феррита, что приводит к различному количественному соотношению составляющих (феррит и перлит).
Первичная структура кристаллизации стали, в меньшей степени влияет на формирование ее прочностных свойств, поскольку каждый дендритный кристалл при затвердевании достраивается междендритной жидкостью до полиэдрического зерна и теряет свою индивидуальность. Вследствие последующей фазовой перекристаллизации γ→α и перлитного превращения не сохраняются и первичные
зерна [8]. Поэтому более конструктивно при прогнозе прочностных свойств серого чугуна применение принципа аддитивности по отношению к первичной структуре, рассматривая ее морфологию как
аналог волокнистого композита.
Методика исследования
Изучение взаимосвязи "структура–свойства" проводилось на большом массиве стандартных разрывных образцов марок от СЧ15 до 35, полученных в результате проведения 62 ваграночных и 85
электропечных производственных плавок серого чугуна.
Специальным металлографическим исследованиям структуры кристаллизации определяли объемную долю, длину дендритов и дисперсию эвтектических ячеек.
Выявление первичных дендритных кристаллов проводилось химическим травлением металлографических шлифов в реактиве Юлиха (смесь серной и борной кислот), которое чередовалось с последующими многократными переполировками.
Ячейки эвтектики выявлялись после специального травления комплексным реактивом, состоящим из 3 г CuSO4, пикриновой кислоты, 20 см3 концентрированной соляной кислоты и 100 см3 этилового спирта [9].
Исследование объемной доли дендритных кристаллов, проводили при увеличении ×100 с помощью оптического микроскопа "Heophot-21" методами количественной металлографии (линейным методом и методом планиметрирования).
Длину дендритов оценивали с помощью лупы МБС-9 при увеличении ×5–10, выбирая максимальную в данном сечении.
149
Измерение диаметра эвтектических ячеек производили с помощью лупы МБС-9 не менее чем в
пяти полях зрения при увеличении ×5–10 методом линейного анализа, состоящего в наложении на
изображение эвтектической структуры семейства измерительных прямых линий. Подсчитывали число точек пересечения измерительных линий и границ ячеек эвтектики. Определяли общую длину измерительных линий и средний размер ячеек эвтектики из соотношения:
d = L/(N·M),
(2)
где L – общая длина измерительных линий;
N – число пересечений измерительной линий с границами ячеек;
M – увеличение микроскопа.
Все результаты анализов микроструктур обрабатывались статистически.
Для исследования степени и характера влияния элементов первичной структуры на распространение магистральной трещины изучалась первичная структура по обе стороны от распространения магистральной трещины.
Разрушенный образец соединялся и сжимался в струбцине, по предварительно нанесенным до
разрушения на рабочей поверхности продольным меткам. Эта подготовительная операция необходима для точного совмещения после разрушения ответных половинок и предотвращения повреждений
поверхностей изломов во время соединения. Щель герметизировали цианакрилатным клеем для того,
чтобы при травлении из несплошностей не выделялись остатки реактива, растравливая поверхность и
искажая картину микроструктуры.
Плоскость металлографического шлифа выбиралась перпендикулярной поверхности излома, по
возможности, наиболее близко к диаметру образца, затем исследованию подвергались лежащие ниже
горизонты.
Разрушение дендритных кристаллов возможно путем среза или отрыва. Оценив долю этих видов
повреждений на общей длине магистральной трещины, можно определить и долю дендритных кристаллов, не участвующих в работе разрушения, то есть отслоившихся во всем объеме образца.
Так как форма ячеек эвтектики сферическая, и они составляют сплошную матрицу, то по ориентации трещины относительно нагрузки разрушения можно судить о том, сколько ячеек разрушилось
отрывом с минимумом прочности и сколько срезом, что увеличивает ее прочность в 2–3 раза [10].
Если разрушение происходило на прямолинейном участке трещины, то считалось, что ячейка
разрушилась с отрывом, а если она резко изменяла направление траектории – срезом.
Для построения математической модели оценки влияния первичной структуры перлитных серых
чугунов на прочность использовали метод Multiple regression analysis (многофакторный регрессионный анализ) из пакета прикладных программ STATGRAPHIS PLUS –Untitled Stat Folio.
Результаты исследований
При условии стохастического расположения дендритов в объеме металла, часть из них осями
первого порядка ориентированы в направлении приложения нагрузки, находясь в пределах углов от
85º до 90º (рис. 1, а). Такие дендриты при достаточной их длине вносят максимальный вклад в работу
разрушения, если сами они разрушаются путем отрыва под действием нормальных напряжений. Части такого кристалла после разрушения, расположены по разные стороны от магистральной трещины
(рис. 1, б, дендрит Iа).
В коротких дендритах максимальные нормальные напряжения могут быть и не достигнуты, и магистральная трещина пройдет по их краю (рис. 1, б, дендрит Iб).
Р
90°
Р
45°
б
а
Р
а
б
Рис. 1. Схема положения армирующих кристаллов относительно нагрузки в объеме образца (а)
и прохождения магистральной трещины (б)
150
Разрушение матрицы происходит преимущественно отрывом под действием нормальных напряжений с минимальной прочностью.
Ось первого порядка дендрита ориентированна под углом 45°±5º к приложенным нагрузкам
(рис. 1, б, дендрит II), кристалл разрушается срезом при напряжении τ=0,5σв. Такая ориентация дендрита способствует вовлечению в работу разрушения дополнительных объемов матрицы, увеличивая
тем самым площадь разрушения. А возникновение в эвтектике максимальных касательных напряжений способствует повышению ее сопротивления разрушающим нагрузкам в 2–3 раза.
Дендрит, ориентированный осью первого порядка относительно нагрузки под углом менее 5º
(рис. 1, б, дендрит III), не может выполнять армирующую роль, так как отслаиваясь, сам не разрушается, и не вовлекает в работу разрушения дополнительных объемов матрицы.
В исследованных образцах были выявлены все виды разрушения дендритных кристаллов (рис. 2).
Методами количественной металлографии установлено, что объемная доля дендритов, разрушающихся путем отрыва, составляет 9,01%±0,12, среза – 9,61%±0,14, и отслаиваются до
81,38%±0,17.
Исследования разрушения эвтектической составляющей показали, что 87,96%±0,09 ячеек разрушается отрывом, а 12,045%±0,102 – срезом.
Многофакторный регрессионный анализ взаимосвязи прочности с параметрами элементов первичной структуры с учетом объемной доли, длины дендритов и дисперсности ячеек эвтектики позволил получить следующую зависимость:
σв = f (fдк, Lдк, dэвт),
(3)
где fдк – объемная доля дендритных кристаллов; Lдк – длина дендритов; dэвт – диаметр ячеек эвтектики.
Для учета особенностей упрочняющего влияния первичных дендритных кристаллов (а именно, их
расположения и прочности [10]) при построении уравнения регрессии проводилась предварительная
обработка металлографических исследований. Находился комплексный фактор К, учитывающий долю дендритов срезанных, разорванных и отслоившихся, а также доли ячеек эвтектики разрушенных
от нормальных и касательных напряжений.
К=[fдк(9,01%·σв.дк+9,61%·τдк+81,38%·0)]+[(1–fдк)(87,9%·σв.эвт+12,1%·τэвт)]=1105fдк,
(3)
где fдк – объемная доля дендритных кристаллов; σв.дк – временное сопротивление отрыву дендритных
кристаллов[10], при перлитной основе 80 кгс/мм2; τ дк – сопротивление срезу дендритов 40 кгс/мм2;
σв.эвт – временное сопротивление отрыву ячеек эвтектики 0,7 кгс/мм2; τ эвт – сопротивление эвтектики
срезу 21 кгс/мм2.
Уравнение множественной линейной регрессии, связывающее предел прочности перлитного серого чугуна с параметрами первичной структуры – объемной долей, длиной дендритов и диаметром
эвтектики, получено в виде:
σв = 19,4858[fдк] + 0,91892[Lдк] – 2,68546[dэвт]
х100
х100
(4)
х50
Рис. 2. Характерные фрагменты участков отрыва, среза и расслоения дендритных кристаллов
Проверка адекватности построенной модели с помощью оценки значимости оказалась положительной, множественный коэффициент корреляции R = 0,8013.
151
Обсуждение результатов исследования
Металлографические исследования подтвердили, что структура кристаллизации в чугуне имеет
композиционный характер. Дендриты действительно оказывают армирующее действие, поэтому при
условии перлитной металлической основы их количество, длина, ориентация по отношению к приложенным силам, являются характеристиками, определяющими прочность чугуна.
В объеме стандартных разрывных образцов выявлены основные виды разрушения дендритных
кристаллов.
Дендриты имеют невыгодную ориентацию относительно прилагаемых нагрузок, так как
81,38 % ± 0,17 из них отслаиваются и не участвуют в работе разрушения.
Эвтектическая составляющая также не использует весь свой запас прочности, разрушаясь отрывом на 87,96 % ± 0,09.
350
Прочность,МПа
300
250
200
150
100
Хj min
Xj max
Рис. 3. Влияние параметров первичной структуры на прочность чугуна:
—■— – объемная доля дендритных кристаллов;
—▲— – длина дендритов;
—♦— – диаметр ячеек эвтектики
Анализ уравнения множественной линейной регрессии показал, что при оценке влияния параметров первичной структуры на прочность чугуна, под воздействием их изменения от минимальных до
максимальных значений, увеличение объемной доли и длины дендритов способствует повышению
прочности (рис. 3). Воздействие на свойства диаметра ячеек эвтектики подтверждает результаты работ [2, 3]: чем он меньше, тем выше прочность чугуна.
Вывод. В подтверждение дифференциально-термического анализа (ДТА), построенная с помощью многофакторного корреляционного анализа модель показывает, что именно первичная структура ответственна за прочностные характеристики перлитного серого чугуна. Проведение оптимизации
первичной структуры в соответствии с полученной моделью позволит получить более высокие показатели прочности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гиршович, Н. Г. Чугунное литье / Н. Г. Гиршович. – М.: Металлургиздат, 1949. – 708 с.
2. Храпковский, Э. Я. Структура и прочность тонкостенных отливок из серого чугуна / Э. Я. Храпковский. – М.: Машиностроение, 1965. – 116 с.
3. Паттерсон, В. Микроструктура чугуна и его свойства / В. Паттерсон // 29-й МКЛ. – М.: Мир. – 1967. – С. 55–63.
4. Ильинский, В. А. Зависимость прочности серого чугуна от его первичной структуры / В. А. Ильинский, Л. В. Костылева // Литейное производство. – 1997. – № 5. – С. 25–26.
5. Шумихин, В. С. Комплексный контроль качества чугуна методом термического анализа / В. С. Шумихин, В. Т. Витусевич, Г. Л. Корниенко // Литейное производство. – 1984. – № 2. – С. 3–5.
6. Jura, S. Zastosowanic metody ATD i obsluga programu ATD. v. 3 do oceny jakosw zeliwa / S. Jura, J. Jura, Z. Jura //
Krzerniqcie metali i stopow. Gliwice. – 1988. – S. 263–293.
7. Ильинский, В. А. Прочность элементов первичной структуры и особенности, разрушения серого чугуна / В. А Ильинский, Л. В. Костылева, Е. Ю. Карпова // Металловедение и термическая обработка металлов. – 1997. – № 3. – С. 23–26.
8. Металлография железа. Т. III. Кристаллизация и деформация стали / пер. с англ. под ред. Ф. Н. Тавадзе. – М.: Металлургия. – 1972. – 236 с.
9. Металлографические реактивы: Справочник / под ред. В. С. Коваленко. – М.: Металлургия. – 1973. – 112 с.
10. Ильинский, В. А. О композитном характере структуры кристаллизации чугунов с различной степенью эвтектичности
/ В. А. Ильинский, Л. В. Костылева // Металлы. – № 5. – 1986. – С. 116–118.