10.3.2. Методы снижения напряжений

Методы снижения напряжений можно подразделить на две группы: предупреждающие возникновения напряжений и снижаю­ щие возникающие напряжения.

К первой группе относятся следующие методы:

•устранение концентраторов напряжений в конструкции детали (отливки): увеличение радиусов переходов, устранение резких пере­ падов по толщине стенки, сглаживание острых кромок и т.п.;

•уменьшение сопротивляемости формы: использование более податливых формовочных и стержневых смесей, замена металличе­ ских стержней песчаными и т.д.;

•уменьшение неравномерности охлаждения (установка внут­ ренних или наружных холодильников);

•снижение перепада температур между расплавом и формой: подогрев формы, подстуживание расплава;

•уменьшение усадки отливки, например за счет изменения характера кристаллов (получение равноосных зерен вместо столб­ чатых).

Снять возникшие напряжения можно термической обработкой: высоким отпуском, отжигом, нормализацией. Наиболее полно на­ пряжения в сталях снимаются при высоком отпуске при нагреве на температуру 600-800 °С или при отжиге.

Вцветных сплавах для снятия напряжений применяют отжиг.

Всталях при проведении отжига наряду со снятием напряжений устраняются грубая крупнозернистая (видманштедтова) структура

и, частично, дендритная ликвация.

Таким образом, общим правилом снижения напряжений в от­ ливках является замедление отвода теплоты при затвердевании и ох­ лаждении отливок и проведение отжига. Снижение интенсивности теплоотвода приводит к выравниванию температуры по сечению от­ ливки, ослабляя первопричину температурных напряжений. Замед­ ленное охлаждение способствует более полному протеканию фазо­ вых превращений в сплаве и снижает фазовые напряжения. Отжиг отливок вызывает постепенный переход упругих деформаций в плас­ тические, уменьшая их величину.

10.4. Горячеломкость сплавов

Горячеломкостью называют склонность металлов и сплавов к хрупкому межкристаллитному разрушению при наличии жидкой фазы по границам зерен. Такое разрушение может иметь место при кристаллизации отливки, а также при сварке, термообработке, горя­ чей обработке давлением и эксплуатации изделий при повышенных температурах. В указанных видах горячей обработки, кроме литья и сварки, горячеломкость вызывается оплавлением границ зерен и может быть предотвращена правильным выбором температуры на­ грева. При литье и сварке переход через интервал кристаллизации всегда неизбежен, поэтому знание условий возникновения горячеломкости и способов предотвращения ее является весьма важным.

Проблема горячеломкости приобретает в последнее время все большую остроту в связи с применением новых высокопрочных и жаропрочных сплавов. Составы этих сплавов с максимальными прочностями и жаропрочностями часто совпадают на диаграммах со­ стояния с областью составов наиболее горячеломких сплавов. Ис­ пользование современных специальных способов литья в постоян­ ные металлические формы также сдерживается склонностью сплавов к горячеломкости.

При литье и сварке горячеломкость сплавов проявляется путем образования так называемых «горячих» трещин в слитках, фасонных отливках и сварных швах. При изучении свойств металлов и сплавов часто используют и характеристику, обратную горячеломкости, - трещиноустойчивость.

Горячеломкость - свойство технологическое, оно зависит от од­ новременного протекания в металле целого ряда процессов. Для по­ нимания этой важной проблемы очень много сделано И.И. Новико­ вым [19], продолжившим работы А.А. Бовчара по изучению процес­ сов кристаллизации и литейных свойств сплавов.

10.4.1. Виды трещин в отливках

Появление трещин в отливках представляет собой один из ти­ пичных видов брака. Трещины, которые обнаруживаются в затвер­ девших отливках, подразделяют на горячие и холодные, в зависимо­ сти от причин и времени их появления. Горячие трещины имеют

значительное расхождение между краями и темные окисленные по­ верхности этих краев. Холодные отличаются блестящими поверхно­ стями, обычно с цветами побежалости, фиксирующими температуру образования. Расхождение краев у холодных трещин незначительно, иногда их можно обнаружить только с использованием технических средств контроля.

10.4.1.1. Горячие трещины

Горячие трещины в большинстве промышленных сплавов заро­ ждаются и развиваются в так называемом эффективном интервале кристаллизации, понятие о котором введено А.А. Бочваром. Это ин­ тервал на диаграмме состояния между линией температуры начала линейной усадки и линией солидуса. В этом интервале растущие дендриты срастаются между собой и сплав обладает основным свой­ ством твердого тела - сохранять свою форму, несмотря на наличие жидкой фазы. Такое состояние сплава, как указывалось ранее, назы­ вается твердожидким. Совокупность свойств сплава в твердожидком состоянии и определяет его горячеломкость.

Механические свойства сплавов в твердожидком состоянии очень низки. Временное сопротивление разрыву не превышает 1-2 МПа, относительное удлинение не превышает десятые доли процента. Если линейная усадка сплава в этом интервале встретит механическое торможение, то возникающие напряжения могут легко превысить прочность сплава и привести к разрушению отливки. Наиболее слабым местом в этот момент являются границы зерен, поэтому разрушение происходит не по объему кристаллов, а по их границам и границам дендритных ячеек. Подобный вид разру­ шения называется горячими или кристаллизационными трещина­

Основными причинами торможения усадки, а значит, и появле­ ния горячих трещин могут быть:

•выступы формы и стержни, являющиеся главной причиной торможения усадки при фасонном литье;

•термическое торможение, возникающее из-за различной ско­ рости охлаждения тонких и массивных частей отливки;

•большое металлостатическое давление в крупных отливках на затвердевшую корочку;

•заливы металла в зазоры по месту разъема формы и в зазоры между знаками формы и стержней;

•шероховатость стенки изложницы, прилипание к ней металла, коробление формы и т.п.;

•силы трения при преждевременной выбивке отливки из фор­ мы при извлечении стержней.

Возникшие при высоких температурах в твердожидком состоя­ нии горячие трещины могут быть «залечены» жидким расплавом. Такое залечивание происходит довольно часто и может быть выявле­ но специальным металлографическим исследованием (рис. 137). Многие исследователи считают, что горячие трещины появляются практически во всех отливках, но последующее залечивание распла­ вом сохраняет целостность отливок.

Рис. 137. Горячие трещины, залеченные жидким расплавом: а - сплав А1 - 3 % Си; б - сплав А1 - 5 % Си

Расплав заполняет трещины под действием металлостатического давления, капиллярных сил, физического воздействия на жидкую фа­ зу, возможного появления разрежения во внутренней трещине, дав­ ления сжимающейся корки металла, прилегающей к наружной трещине.