ИССЛЕДОВАНИЕ ХЛАДОСТОЙКОСТИ И СТРУКТУРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КРИТЕРИЕВ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА
RESEARCH OF COLD RESISTANCE AND STRUCTURAL AND POWER CRITERIA OF HIGH-TENSILE CAST IRON
Густов Ю.И., Воронина И.В., Катанина А.Г., Любушкин К.А.
(ФГБОУ ВПО «МГСУ», г. Москва, РФ)
GustovYu.I., Voronina I.V, Katanina A.G., Lyubushkin K.A.
(Moscow State University of Civil Engineering)
Представлены результаты исследования хладостойкости высокопрочного высоконикелевого чугуна с использованием синергетических (структурно- энергетических) критериев. Показано, что наиболее надежное структурно-энергетическое состояние чугун имеет при температуре максимального значения комплексного синергетического критерия зарождения трещины, развития трещины и хрупкости.
Results of research of cold resistance of high-strength high-nickel cast iron with use of synergetic (structural and power) criteria are presented. It is shown that the most reliable structural and power condition has cast iron at temperature of the maximum value of complex synergetic criterion of origin of a crack, crack development and fragility.
Ключевые слова: хладостойкость, чугун, температура, синергетика.
Keywords: cold resistance, cast iron, temperature, synergetic.
Хладостойкость характеризуется способностью чугуна сохранять механические свойства при пониженных температурах. Температура критическогоохрупчивания определяется по 50%-ному снижению ударной вязкости KCV. Шаровидная форма графита снижает теплопроводность, что необходимо учитывать при выборе режимов нагрева и охлаждения.
Исследовали высоконикелевый чугун с шаровидным графитом S-NiMn234 с целью изучения изменения его свойств с понижением температуры в диапазоне от 21 до -196 oС [1].
Исследования проводили по методике, разработанной на кафедре технологии металлов ФГБОУ ВПО «МГСУ» [2,3].
Исходным является уравнение относительных прочностных и пластических показателей вида
(1)
где 
,
–
сосредоточенная и равномерная составляющие относительного удлинения
.
Из уравнения (1) следует
(2)
и тогда
.
Истинное временное SB и истинное сопротивление разрыву SK определяются зависимостями [4,5].
, 
.
(3)
Удельная энергия равномернойWP и полная удельная энергия WC статического деформирования и разрушения равны [5].
, 
(4)
Согласно [5], критерии зарождения KЗТ и развития трещины KРТ, а также хрупкости материала KХР выражаются формулами
(5)
Учитывая различия этих критериев по размерностям и невозможности их численного сопоставления, предлагаем также следующие безразмерные критерии трещиностойкости
,
(6)
где 
–
показатель статической вязкости материала.
Выходным критерием оценки и выбора
наиболее надежного структурно-энергетического (синергетического) состояния
материала принимается показатель 
Результаты расчетного определения показателей свойств чугуна в зависимости от температуры приведены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1 – Структурно-энергетические показатели чугуна
|
Показатель |
Температура, оС |
||||||
|
21 |
0 |
-50 |
-100 |
-150 |
-183 |
-196 |
|
|
|
410 |
410 |
410 |
40 |
470 |
520 |
550 |
|
|
180 |
200 |
220 |
240 |
290 |
370 |
390 |
|
|
45 |
45 |
47 |
50 |
47 |
40 |
35 |
|
|
45 |
45 |
45 |
50 |
45 |
35 |
30 |
|
|
1,439 |
1,488 |
1,581 |
1,545 |
1,660 |
1,854 |
1,876 |
|
|
30,70 |
31,68 |
34,40 |
36,50 |
35,90 |
31,80 |
27,70 |
|
|
23,50 |
24,06 |
25,60 |
26,70 |
26,40 |
24,10 |
21,70 |
|
|
535,9 |
539,9 |
551,0 |
600,3 |
638,6 |
685,1 |
702,3 |
|
|
651,2 |
652,72 |
658,0 |
740,14 |
757,36 |
759,8 |
760,67 |
|
|
95,93 |
101,53 |
114,0 |
130,5 |
142,3 |
145,48 |
133,46 |
|
|
248,45 |
245,89 |
262,44 |
339,7 |
313,08 |
243,35 |
205,20 |
|
|
0,386 |
0,398 |
0,434 |
0,384 |
0,455 |
0,598 |
0,65 |
Таблица 2 – Синергетические критерии трещиностойскости чугуна
|
Показатель |
Температура, оС |
||||||
|
21 |
0 |
-50 |
-100 |
-150 |
-183 |
-196 |
|
|
|
1,38 |
1,274 |
1,193 |
1,415 |
1,08 |
0,658 |
0,26 |
|
|
27,64 |
31,50 |
35,68 |
50,38 |
56,11 |
55,64 |
49,46 |
|
|
3,075 |
3,895 |
4,852 |
7,474 |
10,06 |
12,73 |
11,923 |
|
|
0,533 |
0,508 |
0,518 |
0,544 |
0,494 |
0,393 |
0,342 |
|
|
0,847 |
0,767 |
0,675 |
0,872 |
0,762 |
0,265 |
0,184 |
|
|
1,323 |
1,36 |
1,387 |
1,50 |
1,44 |
1,31 |
1,23 |
|
|
1,764 |
1,884 |
2,00 |
1,960 |
1,91 |
2,9 |
3,1 |
|
|
0,764 |
0,734 |
0,700 |
0,930 |
0,72 |
0,301 |
0,195 |
|
|
1,244 |
1,302 |
1,437 |
1,600 |
1,359 |
1,493 |
1,304 |
|
|
49 |
51 |
54 |
58 |
57 |
54 |
49 |
На основании табличных результатов можно сформулировать следующие выводы.
1. Исходно-аналитический показательС имеет минимальное значение при температуре 21 оС и возрастает по мере снижения температуры в 1,3 раза. Незначительный спад отмечается при температуре –100 оС.
2.
Наибольшие значения показателей равномерной деформации 
и повышенное значение
удельной энергии 
установлены при
температуре –100 оС. Этой же температуре соответствуют
максимальные величины 
3.
Между критериями 
наблюдается
положительная корреляция соответственно выражениям
(7)
(8)
Аналогичной
связи между критериями 
не установлено.
Между критериями 
можно принять
зависимость
(9)
4.
По совокупности критериев 
определить
температуру наиболее надежного состояния металла не представляется возможным:
по максимальным значениям указанных критериев устанавливаются соответственно
температуры -100; -150 и -183 оС.
5.
По максимальным значениям 
наиболее
надежное структурно-энергетическое состояние металла соответствует температуре
–100 оС. Показательно, что при этой температуре металл имеет
наибольшее значение ударной вязкости.
6.
Ударная вязкость чугуна с понижением температуры возрастает от 49 до 58 
(при температуре –100 оС)
и затем снижается до значении 49 при
температуре –196 оС. Критического снижения ударной вязкости
(на 50%) не наблюдается.
В заключении отметим, что наиболее
надежное структурно-энергетическое состояние чугуна достигается при температуре
максимального значения синергетического критерия 
Список использованных источников
1. Машиностроение. Энциклопедия. Стал. Чугуны./ Г.Г.Мухин, А.Н. Беляков, М.Н. Александров и др. – М.: Машиностроение, 2001. – 784с.
2. Густов Д.Ю., Густов Ю.И. Развитие теоретических основ строительного металловедения.//Доклады ХII Российско-польского семинара «Теоретические основы строительства». -Варшава, 2003.- 337-342 с.
3. Густов Ю.И., Густов Д.Ю., Воронина И.В. Синергетические критерии металлических материалов //Доклады XV Российско-словацко-польского семинара «Теоретические основы строительства» -Варшава. -2006. -179-184 с.
4. Синергетика и фракталы в материаловедении / В.С. Иванова, А.С. Баланкин, И.Ж. Бунин, А.А. Оксогоев. –М.: Наука, 1994. -383 с.
5. Скуднов В.А. Закономерности предельной удельной энергии деформации – основной синергетической (кооперативной) характеристики разрушения и работоспособности металлов / Труды НГТУ «Материаловедение и металлургия», том 42. –Н.Новгород, 2004. – 94-101 с.