4.6. Внутренние напряжения в материале заготовки
Внутренними называются напряжения, уравновешивающиеся без приложения внешней нагрузки. При механической обработке снятие слоя металла нарушает это равновесие. Происходит перераспределение внутренних напряжений до нового уравновешивания, а это сопровождается деформацией заготовок. По этой причине при обработке заготовок, имеющих внутренние напряжения, поверхности готовых деталей не получаются нужной формы: вместо плоскости – криволинейная поверхность, вместо цилиндра овал или конус – и т. д.
В отливках внутренние напряжения в основном возникают от неравномерного охлаждения наружных и внутренних слоев металла. Это приводит к образованию внутренних напряжений. Равномерного же охлаждения отливки добиться очень трудно. Этому мешает неравномерное распределение металла в отливке и неодинаковые условия отвода тепла от разных участков отливки.
Внутренние напряжения бывают такими большими, что в результате их действия появляются усадочные раковины и трещины – от микроскопических до заметных невооруженным глазом. На рис. 4.10 изображены варианты конструкции элемента отливки, в которой необходимо обеспечить образование трех внутренних цилиндрических поверхностей – диаметров D1, D2 и D3. Очевидно, следует ожидать возникновения больших внутренних напряжений (вплоть до образования трещин) в местах 1 и 2.
Рис. 4.10. Варианты конструкции элемента отливки
Меры, предупреждающие возникновение внутренних напряжений направлены на выравнивание скорости охлаждения различных участков отливки. Необходимо иметь в виду следующее:
1) не следует допускать скопление больших масс металла. Например, так, как это показано на рис. 4.10 б. В отливке значительно уменьшена масса металла, сосредоточенная в ее средней части, благодаря чему ускоряется ее охлаждение;
2) не следует делать резкие переходы от тонких сечений к толстым. Если невозможно изготовить отливку так, как показано на рис. 4.10 б, необходимо ей придать вид, изображенный на рис. 4.10 в. При этом будет обеспечена постепенность перехода от одного сечения к другому;
3) необходимо правильно выбирать место подвода расплавленного металла в форму. Следует подводить металл к тонким сечениям и тем ускорять начало охлаждения толстых сечений (которые в этом случае заполнятся металлом раньше) и замедлять начало охлаждения тонких сечений (которые будут заполнены металлом в последнюю очередь);
4) следует ускоренно охлаждать те места отливки, где имеется скопление металла или где отвод тепла в обычных условиях затруднен. Ускорения охлаждения отдельных участков отливок добиваются установкой в форме металлических (обычно чугунных) пластин, которые, обладая несравненно большей, чем формовочная смесь, теплопроводностью, создают условия для ускоренного отвода тепла от мест отливки, к которым они прилегают. Однако полностью исключить появление внутренних напряжений практически невозможно.
Наряду с мерами по предупреждению возникновения внутренних напряжений имеются способы их снятия.
Основным методом снижения внутренних напряжений является отпуск или естественное старение.
Старению подвергают крупногабаритные отливки из чугуна, медных и алюминиевых сплавов. Как правило, старению подвергают ответственные и крупные отливки – цилиндры, рамы, блок-картеры, поршни.
В стальных отливках снятие внутренних напряжений производят только термической обработкой – отпуском (низким, средним или высоким).
В заготовках, получаемых обработкой давлением (т. е. в поковках, горячих штамповках, горячем прокате), внутренние напряжения появляются также вследствие неравномерного охлаждения. Поскольку обработка давлением производится в основном при изготовлении стальных заготовок, внутренние напряжения в них, как и в стальных отливках, снимаются той же термической обработкой – отпуском или нормализацией, причем чаще нормализацией.
К деталям холодильных компрессоров, заготовки которых проходят нормализацию для снятия внутренних напряжений, возникших при обработке давлением, относятся коленчатые валы, шатуны, роторы и диски рабочих колес центробежных компрессорных машин и т. п.
При закалке внутренние напряжения возникают вследствие неравномерного охлаждения (здесь неравномерность охлаждения несравненно больше, чем в отливках и заготовках, полученных обработкой давлением) и тех структурных преобразований, которым сопутствует изменение удельного объема. Например, мартенсит имеет менее плотно уложенные атомы и потому больший удельный объем, чем аустенит, а при охлаждении происходит превращение аустенита в мартенсит. Поэтому распад аустенита сопровождается возникновением менее плотного мартенсита, что приводит к внутренних напряжений. Напряжения, возникающие при закалке, снимаются отпуском.