Если имеющиеся в отливке напряжения не привели сразу к ко­ роблению или появлению трещин, то они могут проявиться позднее. В ходе эксплуатации литых деталей сохранившиеся в металле на­ пряжения могут добавиться к рабочим напряжениям и привести к искажению размеров или к разрушению. В ходе механической об­ работки фасонных отливок трещины могут появиться в результате перераспределения напряжений из-за удаления слоя металла с по­ верхности.

Понимание причин появления напряжений и знание путей их полного или частичного устранения весьма важны для получения ка­ чественных отливок. С целью создания полной картины о напряжен­ ном состоянии отливок в данном разделе рассматриваются не только напряжения, которые возникают из-за затрудненной усадки, но и другие напряжения, которые появляются в процессе кристал­ лизации и последующего охлаждения отливок до комнатной температуры.

10.3.1. Классификация напряжений

Напряжения в отливках различают по длительности действия, причине появления и величине зоны влияния.

По длительности действия напряжения могут быть временными

или остаточными:

- временными называются напряжения, которые исчезают после устранения причин, их вызвавших (например, после выбивки отлив­ ки из формы устраняется затрудненность усадки и часть напряжений снимается);

-остаточными будут напряжения, сохраняющиеся в отливке после ее полного охлаждения.

По причине появления напряжения подразделяют на усадочные, термические и фазовые. Ниже они будут разобраны более подробно.

По зоне действия остаточные напряжения подразделяются на три рода. Напряэ!сения первого рода возникают в макрообъемах меж­ ду отдельными частями отливки под действием усадочных или тер­ мических нагрузок. Их иногда называют зональными или макроско­ пическими. Hanpnoicenun второго рода уравновешиваются в преде­ лах одного кристалла (зерна) или между кристаллами под влиянием фазовых превращений. Напряжения третьего рода - это субмикро­

скопические напряжения в пределах одной или нескольких кристал­ лических ячеек. Их могут вызвать точечные дефекты кристалличе­ ского строения или атомы легирующих добавок в ячейках твердого раствора.

10.3.1.1. Усадочные напряжения

Усадочные напряжения возникают в отливках при затрудненной усадке. Они всегда растягивающие. Величина зависит от механиче­ ского сопротивления формы и стержней, т.е. от таких факторов, как конфигурация отливки, температура металла и формы в момент за­ ливки, величина усадки сплава.

Наибольшие усадочные напряжения появляются при получении отливок в постоянных формах (кокилях). Постоянные металлические формы не обладают податливостью. Материал формы во всем интер­ вале температур прочнее материала отливки.

Рассмотрим схему возникновение усадочных напряжений при литье в кокиль. Графическая зависимость изменения размеров от­ ливки от температуры металла и формы приведена на рис. 134.

Форма после заливки расплава начинает нагреваться и увеличи­ вать свои размеры не только в период кристаллизации сплава, но и какое-то время после нее. Температура холодного кокиля сравняет­ ся с температурой охлаждающейся отливки через время т3, а темпе­ ратура подогретого кокиля несколько раньше, через время т2. Одно­ временно идут усадка отливки и увеличение размеров формы. Если бы отливка и форма существовали независимо друг от друга, то из­ менение их линейных размеров от температуры происходило бы в соответствии с кривыми на нижней части рис. 134. Усадка отливки начнется через какое-то время xi, когда температура сплава понизит­ ся до температуры начала линейной усадки /„л у. Размеры холодного кокиля начнут уменьшаться, начиная со времени т3, а горячего -

ст2. Поскольку размеры отливки определяются размерами формы, то

вконце охлаждения т4 деформация растяжений в отливке, залитой

в холодную форму, достигнет значения Д / Х.ф, а в отливке, залитой в горячую форму, - Д / Х ф. Ввиду того, что растягивающие напряже­ ния Д / Х ф существенно больше, чем Д / гф , то и усадочные напряжения при заливке в холодную форму будут существенно больше.

<L>

<D

«

О

§

Время охлаждения

Рис. 134. Схема образования деформаций растяжения (усадочных напряжений) при литье в постоянные ме­ таллические формы

Быстрое извлечение отливки из формы позволяет уменьшить величину деформации растяжений. Но это необходимо осуществить лишь в отрезки времени между Xi и т2 или т3 (в зависимости от тем­ пературы кокиля), пока форма еще не достигнет максимальных раз­ меров. В этом случае А /'х .ф < Л / Х.ф, а Д /^ .ф < Д / Г.ф, соответственно меньше и величина усадочных напряжений. Таким образом, чтобы не допустить повышенных деформаций, напряжений и появления трещин при литье в постоянные металлические формы, необходимо предварительно подогревать форму и своевременно извлекать отлив­ ку из формы.

При литье в разовые песчаные формы характер изменения де­ формаций другой. Схема образования усадочных деформаций при

Если сравнивать процессы охлаждения отливки в одинаковых формах, то уровень усадочных напряжений будет тем выше, чем больше разница температур формы и заливаемого металла.

По сечению отливки усадочные напряжения распределяются неравномерно. В местах резких переходов от тонкого сечения к тол­ стому сечению, в углах, около отверстий уровень напряжений всегда больше.

10.3.1.2. Термические напряжения

Толстые и тонкие части отливок, наружные и внутренние слои охлаждаются с разной скоростью. В результате неравномерности ох­ лаждения в отливках появляются термические напряжения.

Рассмотрим схему возникновения термических напряжений в отливке при условии создания равномерного температурного поля, которое создается в результате более быстрого охлаждения наруж­ ных слоев (рис. 136).

б

в

Рис. 136. Схема возникновения термических напряжений в отливке: а -тем­ пературное поле отливки (У - внутренний слой, 2 - наружный слой); б - размеры слоев отливки в области I; в - размеры слоев отливки в области II

Температурное поле условно разделим на две зоны - зону пла­ стических деформаций и зону упругих напряжений, и на три области по времени охлаждения (см. рис. 136, а).

В первой зоне из-за высоких температур предел текучести материала низкий и возникающие напряжения будут сниматься за счет пластических деформаций, так как а„апр > а т. В зоне же уп­ ругих напряжений а„апр < ат, поэтому напряжения должны сохра­ няться.

В каждом слое мысленно выделим стержень длиной /0. Перво­ начально оба слоя имеют одинаковую температуру и длину. В облас­ ти I наружный слой 2 охлаждается до более низкой температуры, чем внутренний слой 1. Изменение длины каждого слоя (стержня) опре­ деляется по известной формуле

А/ = / 0а- А/,

где а - коэффициент термического расширения; At - разность тем­ ператур.

Поскольку для первого стержня At меньше, чем для второго, то и уменьшение его размеров будет меньшим (см. рис. 134, б), а так как стержни (слои) связаны между собой, то они примут среднюю длину /, которая зависит от массы и разности температур каждого слоя. При этом стержень 1 будет сжат, стержень 2 растянут. Ввиду того, как оба слоя находятся в зоне пластической деформации, то со­ ответствующие напряжения будут сняты за счет деформации обо­ их слоев.

В области II образование напряжений полностью аналогично образованию напряжений в области I. Здесь также внутренний слой будет иметь напряжение сжатия, наружный - растяжения (см. рис. 136, б). Отличие заключается в том, что наружный слой 2 находится в зоне упругих напряжений, поэтому возникающие на­ пряжения будут сниматься за счет пластической деформации внут­ реннего слоя 1.

В области III температурный интервал охлаждения внутреннего слоя 1 больше, чем наружного 2. Поэтому внутренний слой должен изменить свой размер на большую величину (см. рис. 136, в). По­ скольку размеры слоев после охлаждения одинаковые, то в наруж­ ном слое возникают напряжения сжатия, во внутреннем - растяже­

ния. Оба слоя находятся в упругой области, поэтому возникшие на­ пряжения сохраняются.

Указанная схема полностью применима для случая охлаждения отливки, имеющей тонкие и массивные сечения. При этом в тонких частях после охлаждения действуют напряжения сжатия, а в массив­ ных - напряжения растяжения.

10.3.1.3. Фазовые напряжения

При охлаждении в отливках, в зависимости от вида сплава, мо­ гут протекать различные фазовые превращения. К ним относятся превращения, связанные с изменением состава и количества фаз, по­ лиморфные превращения, процессы растворения или выделения из­ быточных фаз, процессы упорядочения структуры и т.д. Если они протекают в неравновесных условиях, то в отливках появляются фазовые напряжения. Величина и знак фазовых напряжений зависят от главного фактора, вызвавшего их.

Полиморфные превращения являются наиболее сильнодейст­ вующим фактором. Полиморфные превращения протекают в сталях, чугунах, титановых сплавах и в некоторых видах бронз. В сталях при охлаждении отливок полиморфные превращения происходят дваж­ ды: 5—>у и у—их. Первое из них протекает при очень высокой темпе­ ратуре, когда рекристаллизационные процессы протекают с большой скоростью, и напряжения от превращения высокотемпературного феррита в аустенит быстро снимаются. Полиморфное превращение у->а в сталях и чугунах всегда приводит к возникновению наклепа, так как аустенит имеет меньший удельный объем, чем феррит:

Наклеп, в зависимости от температуры его образования, при дальнейшем охлаждении отливок может сохраниться или сняться рекристаллизационными процессами. Так, при закалке сталей или при охлаждении отливок из сталей мартенситного класса мартенсит­ ное превращение происходит ниже температуры рекристаллизации железа (/рек » 550 °С) и напряжения сохраняются, при перлитном

превращении образовавшиеся напряжения, как правило, успевают сняться, при бейнитном - сохраняются. В сталях аустенитного класса фазовые напряжения не возникают из-за отсутствия превращений. В легированных сталях температура полиморфного превращения под влиянием легирующих добавок может быть значительно снижена по сравнению с температурой полиморфного превращения железа и на­ пряжения будут сохраняться при любом характере протекания пре­ вращения. При этом наклеп может быть настолько значительным, что приведет к упрочнению стали.

Изменение растворимости второго компонента наиболее зна­ чимо сказывается в цветных сплавах. При быстром охлаждении от­ ливки или при закалке отливки из сплава с изменяющейся раствори­ мостью второго компонента может образоваться пересыщенный твердый раствор, вызывающий искажения кристаллической решетки

итем самым появление напряжений. Если же охлаждение происхо­ дит достаточно медленно, то из однофазного раствора образуется двухфазный и напряжения возникают на границе этих двух фаз из-за различия кристаллических решеток. Успеют ли они сняться или нет, зависит от скорости охлаждения. Следует отметить, что уровень на­ пряжении в этом случае невелик.

Анизотропия коэффициентов термического расширения имеет место у металлов с некубической решеткой. Примером могут слу­ жить магний и цинк, а также сплавы на их основе, имеющие гексаго­ нальную решетку. В этом случае даже в однофазных сплавах из-за различия коэффициентов термического расширения возникают на­ пряжения, хотя и небольшие по величине. Различие коэффициентов термического расширения наблюдается и в многофазных сплавах. Эти напряжения, хотя и небольшие, но в ряде случаев могут оказы­ вать влияние на последующие превращения в сплавах.

Условия охлаждения в первую очередь вызывают образование термических напряжений из-за различия температур во внутренних

инаружных слоях отливки. Эти же причины обусловливают неодно­ временное протекание фазовых превращений в различных слоях от­ ливки и тем самым вызывают образование фазовых напряжений.