ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 1, с. 102-106
= ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.111.223:539.67
МЕХАНИЗМ СИЛЬНОГО ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ В СПЛАВАХ ЖЕЛЕЗА С ПЛАСТИНЧАТЫМ ГРАФИТОМ
© 2004 г. А. И. Скворцов
Вятский государственный университет, 610000 Киров, ул. Московская, 36 Поступила в редакцию 03.03.2003 г.
Цель работы - уточнение известных и формирование новых представлений об основных механизмах сильного внутреннего трения в высокоуглеродистых сплавах Бе с пластинчатым графитом. Изучено влияние формы включений графита на внутреннее трение немагнитной природы высокоуглеродистых сплавов Бе, на изменение удельного объема графита и матрицы при быстром охлаждении. Проанализирован механизм внутреннего трения в высокоуглеродистых сплавах Бе с пластинчатым графитом в зависимости от фазового состава матрицы, структурного состояния графита. Показана связь сильного внутреннего трения со структурной нестабильностью фазовых составляющих сплава, наведенной предварительной термической обработкой или пластической деформацией в процессе измерения внутреннего трения. Сделан вывод о большей практической перспективности использования механизма внутреннего трения, связанного с исходно метастабильной матрицей, из-за его большей эффективности при низких амплитудах деформаций, не превышающих допускаемые, по сравнению с механизмом, обусловленным деформацией матрицы выше предела упругости.
ВВЕДЕНИЕ
В графитосодержащих демпфирующих сплавах Бе в зависимости от содержания, формы и характера распределения включений графита, от фазового состава матрицы основной механизм внутреннего трения может быть магнитомеханической, немагнитной природы или эти механизмы могут быть конкурирующими [1].
Основной механизм повышенной, высокой демпфирующей способности, обусловленный магнитомеханической природой внутреннего трения, имеет место в сплавах Бе с преимущественно фер-ритной матрицей с включениями графита компактной формы (в графитизированных сталях, чугунах с шаровидным графитом) или некомпактной формы, но с относительно низким содержанием углерода в сплаве (менее 2-2.5%) [1, 2].
Наиболее высокую демпфирующую способность графитосодержащие сплавы Бе имеют при большом содержании в них углерода. Увеличение содержания графита в сплаве, т.е. увеличение числа графитных включений или увеличение объема графитной фазы при несущественном изменении формы и числа графитных включений, ослабляя магнитомеханическое затухание, усиливает затухание немагнитной природы. Последнее обусловлено тем, что, во-первых, увеличивается доля графита - структурной составляющей с меньшим модулем упругости. Это означает, что больший объем графита подвергается повышенной степени деформации. Во-вторых, уменьшается площадь сечения матрицы и тем самым увели-
чиваются ее напряженное состояние, степень ее деформации. Действие этих двух факторов равнозначно смещению амплитудной зависимости внутреннего трения в сторону более низких деформаций [1], т.е. протеканию в сплаве при той же самой внешней нагрузке более интенсивных процессов микропластической деформации.
Увеличение содержания графита в сплаве необязательно должно сопровождаться увеличением протяженности границы между матрицей и графитными включениями. Необходимо дополнительно учитывать форму и дисперсность этих включений. В сплавах Бе с достаточно большим содержанием углерода эффект усиления внутреннего трения от изменения формы графита получается более сильным, чем от увеличения содержания графита в сплаве [3].
Принято различать в графитосодержащем сплаве структурные области, которые могут быть ответственными за сильное рассеяние энергии механических колебаний. Это: 1) графит, а механизмом внутреннего трения при этом является его пластическая деформация [4]; 2) граница между графитом и матрицей, механизм рассеяния энергии - "трение" на этой границе; 3) матрица, механизм рассеяния энергии - пластическая деформация в микрообластях матрицы с большой концентрацией напряжений [5, 6]. Согласно работе [7], вклад матрицы в демпфирующую способность чугуна с пластинчатым графитом (ЧПГ) не превышает 20-25%. Оценить вклады первого и второго механизмов непросто. Можно лишь предположить, что вклад механизма внутреннего тре-
Рис. 1. Зависимость логарифмического декремента от амплитуды крутильных колебаний для чугуна СЧ25 в исходном (после заливки в литейную форму) состоянии с ферритокарбидной матрицей 1, после отжига 750°С с ферритной матрицей 2, после закалки от 850°С с преимущественно мартенситной (17% остаточного аустенита) матрицей 3; чугуна с шаровидным графитом (состав приведен в работе [9]) после закалки от 900°С - 4. Методика измерения амплитудной зависимости внутреннего трения приведена в работе [8]. Измерения в постоянном магнитном поле 30 кА/м не изменяют или почти не изменяют амплитудные зависимости внутреннего трения (на графиках не показано).
Рис. 2. Схемы амплитудной зависимости внутреннего трения:
а - феррита 1, перлита 2, высокоуглеродистого мартенсита 3; б - чугуна с пластинчатым графитом с фер-ритной 1, перлитной 2, мартенситной 3 матрицами.
ния, действующего на границе графита с матрицей, увеличивается с увеличением протяженности границы. И, конечно, возникает вопрос о конкретизации этого механизма. К тому же при оценке вклада матрицы необходимо учитывать ее структуру [8].
Целью настоящей работы является уточнение известных и формирование новых представлений об основных механизмах сильного внутреннего трения в высокоуглеродистых сплавах Бе с пластинчатым графитом на основе известных и новых экспериментальных результатов.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ МЕХАНИЗМОВ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ
Влияние формы графита на внутреннее трение особенно наглядно проявляется при сравнении высокоуглеродистых сплавов Бе с примерно одинаковым составом, в матрице которых подавлен механизм затухания магнитомеханической природы. Из рис. 1 видно, что внутреннее трение значительно сильнее в закаленном сплаве с пластинчатым графитом (кривая 3), чем с шаровидным (кривая 4).
Влияние формы графита на механизм внутреннего трения в ЧПГ заключается в следующем. Менее компактной форме графитных включений, в том числе более тонким пластинам графита соответствует, во-первых, большая протяженность границ между матрицей и графитом. Тем самым суммарный эффект рассеяния энергии из-за процессов структурной эволюции, протекающих на
этой границе при деформации сплава, может быть более сильным. Во-вторых, путь траекторий напряжений через графит увеличивается, а через матрицу уменьшается. Вследствие этого имеют место тот же эффект, что и при увеличении содержания графита в сплаве: при одинаковой внешней нагрузке увеличивается степень деформации матрицы и больший объем высоко-демпфирующего с низким модулем упругости графита включается в работу по рассеянию энергии колебаний. Это равнозначно смещению амплитудной зависимости внутреннего трения немагнитной природы в сторону более низких деформаций, чему соответствует более высокая демпфирующая способность сплава. В-третьих, матрица дробится на более тонкие участки. Если в матрице находится феррит, то его дробление сопровождается измельчением зерен и формированием в нем высокодисперсной малоподвижной доменной структуры. Вследствие этого магнитомеханическое затухание может упасть почти до нуля.
Влияние фазового состава матрицы на амплитудную зависимость внутреннего трения ЧПГ очень существенно, что видно на рис. 1 (кривые 1-3).
На основании экспериментальных результатов на рис. 2 схематически изображены характерные для ЧПГ и его матриц амплитудные зависимости внутреннего трения. График для феррита приведен без учета магнитомеханического затухания, так как в ЧПГ оно близко к нулю. Из этого рисунка видно, что наиболее высоким внутренним трением при низких амплитудах колебаний среди матриц обладает высокоуглеродистый мар-
V, мм3/г
450 440
Рис. 3. Изменение удельного объема графита 1 и матрицы 2 чугуна СЧ25 при закалке от 850°С до комнатной температуры. Расчет проведен с учетом коэффициента объемного расширения фаз и результатов дилатометрических исследований (методика дилатометрических исследований приведена в работах [2, 8]).
тенсит. Этому обстоятельству соответствует то, что при низких амплитудах колебаний и ЧПГ с мартенситной матрицей обладает наибольшим внутренним трением. При более высоких амплитудах колебаний механизм внутреннего трения в ЧПГ с мартенситной матрицей работает с насыщением ввиду незначительной амплитудной зависимости внутреннего трения мартенсита в этой области амплитуд.
Затухание колебаний в феррите и соответственно в ЧПГ с ферритной матрицей резко интенсифицируется при амплитудах, превышающих предел упругости при циклической деформации уу феррита (см. рис. 2). А график амплитудной зависимости внутреннего трения ЧПГ с ферритной матрицей в этой области амплитуд (с учетом локальных концентраций напряжений в матрице, обусловленных наличием графитных включений) уходит выше графика амплитудной зависимости внутреннего трения ЧПГ с мартенситной матрицей (см. рис. 1 и 2).
Аналогичные закономерности при высоких амплитудах колебаний характерны для ЧПГ с ферритокарбидной матрицей с той лишь разницей, что предел упругости ферритокарбидной матрицы превышает предел упругости ферритной матрицы (см. рис. 2).
Следовательно, внутреннее трение в ЧПГ тем сильнее, чем интенсивнее процессы, связанные с нестабильностью матрицы. Однако это не означает, что в ЧПГ за высокую демпфирующую способность ответственна матрица или только матрица, о чем свидетельствует следующая количественная оценка для ЧПГ с мартенситной матрицей. Внутреннее трение в ЧПГ с мартенситной матрицей при его насыщении, т.е. при у = 5 х 10-4, достигает 5 ~ 10% (см. рис. 1). С учетом коэффициента
концентрации напряжений, равного 3.5 для чугу-нов типа СЧ25 [10], величина деформации матрицы, соответствующая этому затуханию, должна быть больше величины у = 5 х 10-4 примерно в 3.5 раза и составлять у = 17.5 х 10-4. В качестве матрицы чугуна СЧ25 можно принять закаленную высокоуглеродистую сталь, например У12А, в котор
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.