10 Лабораторная работа № 8 определение остаточных напряжений в отливках

10.1 Цель работы

Ознакомиться с существующими методами оценки характера и величины остаточных напряжений в металле. Определить величину напряжений, вызывающих в отливке упругую деформацию.

10.2 Теоретические сведения

При затвердевании и охлаждении отливки в литейной форме могут возникнуть внешние и внутренние силы, препятствующие свободной усадке металла. В связи с этим в отливке возникают внутренние напряжения. Различают механические, термические и фазовые напряжения. Первые из них возникают в результате механического воздействия литейной формы на отливку, вторые вызваны разницей в скоростях охлаждения элементов отливки различной толщины и температуры, третьи возникают в результате образования структурных составляющих с различными удельными объемами.

Напряжения, возникающие в отливках при отсутствии механического воздействия формы (внешних нагрузок), взаимно уравновешиваются или суммируются. Эти напряжения называются литейными. В процессе охлаждения отливки их величина может изменяться. Напряжения, сформировавшиеся к моменту достижения отливкой комнатной температуры, называются остаточными. Суммируясь с механическими, литейные напряжения зачастую приводят к деформации и даже трещинам.

Существующие методы выявления и оценки литейных напряжений основаны на анализе упругих деформаций, пропорциональных величине напряжений, и заключается в измерении деформации упругого растянутого (сжатого) элемента отливки при его освобождении. С этой целью технологические пробы (например, в виде решеток или скоб, имеющих стержни различного сечения, связанные поперечными элементами). Наиболее удобной является усадочная скоба (рис.10.1). При остывании быстрее охлаждается металл стяжки, как менее массивный элемент отливки. При охлаждении более массивной дуги отливки при температуре перехода в упругое состояние стяжка уже имеет низкую температуру и препятствует дальнейшей усадке дуги. Вследствие термического торможения усадки к концу охлаждения тонкая стяжка окажется упруго сжатой, а более массивная дуга – упруго растянутой. Возникшие напряжения взаимно уравновешены. Такое состояние сохранится до тех пор, пока не будет нарушена геометрия отливки. Если теперь какой-либо элемент разрезать (например, стяжку или дугу), то нарушится равновесие вследствие исчезновения у разрезанного элемента способности сопротивляться действию сил. Это приведет к исчезновению напряжений в элементах скобы (освобождению от напряжений), а с ними – упругой деформации сжатого и растянутого элементов, пропорциональной величине напряжений.

Таким образом, при разрезании одного из элементов скоба освобождается от напряжений и вызванных ими упругих деформаций. Исчезновение деформаций приведет к изменению размеров скобы, что можно зафиксировать с помощью измерительных приборов с определенной степенью точности.

Таким образом, определение напряжений заключается в измерении пропорциональной им суммарной деформации элементов усадочной скобы, которая выявляется при разрезании одного из элементов скобы.