ДЕМПФИРУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ЧУГУНОВ С ВЕРМИКУЛЯРНЫМ ГРАФИТОМ

Металлические детали в ряде машин и механизмов при эксплуатации являются источниками интенсивной вибрации. Поэтому уже на стадии проектирования автомобилей важное значение имеет правильный подбор металлических материалов с хорошей способностью гасить вибрации. При выборе материала руководствуются характеристиками демпфирующей способности, которая характеризует скорость затухания колебаний[1].

Демпфирующие свойства материалов особенно связаны, прежде всего, с ростом основных параметров (скоростей, температур, давлений) в современных машинах и, как следствие этого – появляется необходимость более точных расчетов динамической прочности элементом конструкций и машин , которые попадают в процессе эксплуатации в резонанс [2].

Для лопаток турбин, обшивок летательных аппаратов и других подобных деталей и элементов конструкций вибрация является почти постоянным сопутствующим фактором нормальной эксплуатации. Снизить вредное влияние вибрации можно, используя материалы с повышенными демпфирующими свойствами[2].

Как известно чугун является исторически первым конструкционным материалом, который был использован для деталей механизмов и машин, работающих при вибрационных нагрузках.  Широкое применение чугуна в этих условиях обусловлено его способностью,  гасить колебания в результате внутреннего рассеяния энергии упругих колебаний[3].

Наибольшее количество поломок деталей машин происходит в результате воздействия  циклических знакопеременных нагрузок, которые соответствует области упругих напряжений (меньше предела текучести). Применение чугуна в этих случаях является незаменимым, так как, не уступая значительно по прочности некоторым углеродистым сталям, чугун в то же время имеет высокую способность к демпфированию колебаний. Чугун нашел широкое применение при изготовлении таких деталей машин, как шестерни, коленчатые и распределительные валы автомобильных и тракторных двигателей, поршни, станины, блоки и другие детали, которые по условиям работы подвержены воздействию циклических ( в том числе знакопеременных) повторяющихся нагрузок[3].

В последние десятилетия появился ряд работ, в которых описываются результаты исследований демпфирующих свойств чугуна и обсуждаются причины этого явления. Одно из первых обобщений опубликованных результатов исследований демпфирующей способности чугуна сводится к следующему:

1) с увеличением временного сопротивления при растяжении демпфирующая способность снижается;

2) при касательных напряжениях демпфирующая способность несколько ниже, чем при нормальных;

3) демпфирующая способность несколько понижается при большом количестве циклов и стабилизируется после 200 тыс. колебаний;

4) при увеличении действующей нагрузки демпфирование возрастает;

5) увеличение амплитуды колебаний приводит к большей разнице демпфирующей способности чугунов различных марок.

В основном эти выводы вполне соответствуют современным представлениям о закономерностях изменения демпфирующих свойств различных металлов в указанных условиях [3].

Известно, что наиболее высокой демпфирующей способностью по сравнению со сталью обладает чугун с пластинчатым графитом. Однако из-за низких прочностных характеристик детали из этого чугуна имеют ограниченное применение даже в тех случаях, когда по условиям работы требуется материал с достаточно высокой демпфирующей способностью[1].

 При изготовлении таких деталей из чугуна с шаровидным графитом можно обеспечить необходимый высокий уровень прочностных свойств, однако демпфирующая способность этого чугуна значительно ниже, чем у чугуна с пластинчатым графитом[1].

Однако существуют чугуны с вермикулярным графитом, обладающие промежуточными механическими и физическими свойствами между ЧПГ и ЧШГ. ЧВГ хорошо комбинирует прочность, теплопроводность и прочие свойства. Отсюда следует предположить, что ЧВГ обладает и хорошей демпфирующей способностью.

В настоящее время ЧВГ проходит этап становления в мировой промышленности. Стандарты на ЧВГ появились как в России, так и за рубежом во второй половине 80-х годов. Последующие годы знания о ЧВГ в мире, в отличие от России, сильно развивалась. Соответственно мировые стандарты на ЧВГ в последнее десятилетие  прошли массовую переработку, а отечественные стандарты ГОСТ 28394-89 и ГОСТ 3443-87, регламентирующие качество отливок из ЧВГ, содержат широкие диапазоны структуры и свойств , не соответствуют современным требованиям потребителей.

Как известно наивысшей способностью к рассеянию энергии обладают чугуны с пластинчатым графитом (ЧПГ). Чугун с шаровидным графитом (ЧШГ) имеет демпфирующую способность на порядок величины меньше, но все же достаточно высокую по сравнению со сталью или белым чугуном, демпфирующая способность которого даже несколько ниже, чем у стали.

Таблица 1.

Значения логарифмического декремента колебаний  для различных чугунов по сравнению со сталью.

Демпфирующая способность чугунов с вермикулярным графитом (ЧВГ) характеризуется коэффициентом затухания колебаний   QT и логарифмическим декрементом затухания колебаний  , зависимость между ними следующая:

 , где n – число циклов колебаний.

У ЧВГ  примерно в 1,7 раза ниже, чем у ЧПГ, но примерно в 1,8 раза выше, чем у ЧШГ.

Рисунок 1. Зависимость коэффициента  от максимальной амплитуды с начальных колебаний у чугунов с различной формой графита: 1 – СЧ30; 2-ЧВГ35; 3 –ЧВГ45; 4-ВЧ60

На рисунке 1 показана зависимость коэффициента затухания колебаний Q^-1 от максимальной амплитуды начальных поперечных колебаний у чугунов с пластинчатым (СЧ 30), вермикулярным (ЧВГ 35 и ЧВГ 45) и шаровидным графитом (ВЧ 60) в литом состоянии (2, а) и после закалки на мартенсите отпуском (рисунок 1, б) [1].

Таблица 2.

Химический состав, структура и механические свойства чугунов с различной формой графита.

Из указанных материалов видно что  наибольшей демпфирующей способностью обладает ЧПГ, а наименьшей ЧШГ.  Чугуны с вермикулярным графитом занимают промежуточное положение.

Также в работе [4] приводится сравнительные данные по демпфирующей способности различных чугунов (Таблица 3).

Таблица 3.

Сравнительные данные демпфирующей способности различных чугунов

Рисунок 2. Демпфирующая способность различных CGI в сравнении с серым чугуном

Данные по влиянию микроструктуры на демпфирующую способность при различных содержаниях низких содержаниях  углерода (3,5-3,6%)  и высоких (3,7-3,8%) с низким содержанием перлита (70-80%) и высоким     (95-100%) в сравнении с перлитным серым чугуном (3,25% С), полученные в работе [3] представлены на рисунке 2. Представленные данные являются средним значением 5 отдельных измерений на каждой из семи резонансных частот от 200 до 5000 Гц, погрешность измерений 10 %.

Как видно на диаграмме, демпфирующая способность резко уменьшается по мере того, как микроструктура изменяется от пластинчатого графита к вермикулярному, затем постепенно продолжает снижаться с ростом доли шаровидного графита. Относительная демпфирующая способность в исследованиях получилось: ЧПГ:CGI:ЧШГ(SG) = 1,0:0,35:0,22 при большом разбросе данных.

В работах [5, 6] также говорится что демпфирующая способность может быть увеличена н 5-10% с увеличением размера или разветвленности графита.

В работе [7] говорится что тенденция облегчения конструкции автомобильных двигателей привело к созданию новых марок чугуна для блоков цилиндров с очень высокой усталостной прочностью, в результате чего двигатели в некоторых случаях были даже легче двигателей с блоками цилиндров из алюминия. В роботе были рассмотрены демпфирующая способность и модуль упругости высокопрочных чугунов, с учетом влияния микроструктуры на эти свойства и как их оптимизировать.

Эксперименты проводились с ковкими, с серыми и с чугунами с вермикулярным графитом,  как показано в таблице 3.

Таблица 4.

Список испытанных чугунов.

( * ) – Специальная модификация для очищения графита

Рисунок 3.  Модуль упругости и демпфирующая способность чугунов

Как видно из рисунка 3 ковкий чугун ( DI 450, DI 800) имеет самый высокий модуль упругости и низкие значения демпфирующей способности, в то время серый чугун (GI 250, GI 300)  показывает высокий уровень демпфирующей способности и самые низкие значения модуля упругости. Чугун с вермикулярным графитом находится между ними. В каждом семействе чугунов значения модуля упругости зависят от класса, особенного это касается серых чугунов. В этом случае, переход от класса 250 до 300 получается с  использованием легирующих элементов. Изменение размеров графита влияет на распространение упругой волны в материале, тем самым влияя не только на упругие значения модуля упругости так и на демпфирование.

В заключении говорится что модуль упругости чугунов коррелирует с прочностью,  в зависимости от графита, представляя высокие значения для ковких чугунов, низкие значения для серых и промежуточные для чугунов с вермикулярным графитом. Обратная связь отражается на демпфирующей способности, с высокими для серых, промежуточными для ЧВГ и низкими для ковких чугунов. Свойство может быть увеличено для серого чугуна с изменением микроструктуры, выбрав серого чугуна с высоким содержанием графита и незначительное количество эвтектических ячеек. Но эти факторы противоречат поиска повышенной прочности и жесткости. Поэтому некоторые микроструктуры должны быть компромиссным между прочностью, жесткостью и демпфирующей способностью.

Таким образом, основываясь на современные знания о демпфирующей способности ЧВГ можно сделать следующие выводы:

- демпфирующая способность ЧВГ имеет промежуточные значения между ЧПГ и ЧШГ.

- демпфирующая способность чугунов резко уменьшается по мере того, как микроструктура изменяется от пластинчатого графита к вермикулярному, а затем постепенно продолжает снижаться с ростом доли ШГ. Относительная демпфирующая способность в рассмотренных исследованиях ЧПГ:ЧВГ:ЧШГ = 1,0:0,35:0,22 при достаточно большом разбросе данных. Демпфирующая способность может быть увеличена на 5-10% с увеличением размера или разветвлённости графита.

- также некоторые микроструктуры должны быть компромиссом между, жесткостью, прочностью и демпфирующей способностью.

- анализируя источники по ЧВГ выяснилось, что все значения, касающиеся демпфирующей способности весьма расплывчатые.

Список литературы:

1. Диссертация/Особенности формирования литой структуры высокопрочных чугунов и разработка эффективных технологий изготовления отливок с высокими параметрами эксплуатационных свойств./АНДРЕЕВ В.В.- Москва 2012.
2. Исследование демпфирующих свойств материалов: Методические указания к лабораторной работе / сост. В.И. Водопьянов, А.А. Белов. – ВолгГТУ, Волгоград, 2001.-12с.
3. Фавстов Ю.К., Шульга Ю.Н., Рахштадт А.Г. Металловедение высокодемпфирующих сплавов. – М., «Металлургия», 1980-  272 С
4. Compacted Graphite Iron-Mechanical and Physical Properties for Engine Design. http://www.sintercast.com/
5. G. F. Sergeant and E.R. Evans , “Production and properties of compacted graphite irons”, BCIRA  Publication 1978.
6. S.V. Subramanian and A.J. Genualdi,  “Optimization of damping capacity and strength in hyper-eutectic grey cast iron, AFS Paper 96-138, American Foundrymen’s Society, 1996, pp. 1-2.
7. W. L. Guesser, L. P. R. Martins Stiffness and vibration damping capacity of high strength cast irons./ SAE International
8. Головин С.А., Пушкар А., Левин Д.М. Упругие и демпфирующие свойства конструкционных материалов. М: Металлургия, 1987. 190с.
9. К вопросу о демпфирующей способности чугунов./С.А. Головин, 2012 г. Тульский государственный университет г. Тула.