книги из ГПНТБ / Коцюбинский О.Ю. Стабилизация размеров чугунных отливок

ствуют внешние силы) изгиба, растяжения или другой остаточ­ ной деформации невозможно сказать, имеются ли в ней оста­ точные напряжения или нет. К сожалению, до сих пор довольно широко распространено ошибочное мнение о том, что если от­ ливка изогнута, то в ней обязательно имеются остаточные напряжения.

Остаточные напряжения могут возникнуть в отливке не только из-за неравномерной пластической деформации, но и

Рис. 61. Схема влияния пластической деформации отдельных слоев балки на возникающие в ней остаточные напряжения

из-за разницы температурных деформаций различных участков

мерность температурной деформации может возникнуть как от разного изменения температуры At в рассматриваемых участках

отливки, так и от наличия различного коэффициента темпера­ турного расширения а металла.

Чаще всего причиной неравномерной температурной дефор­ мации является разная скорость охлаждения отдельных участ­ ков отливки в форме, которая приводит к возникновению вре­ менных напряжений, вызывающих пластическую деформацию металла отливки. Но нередки случаи, когда причиной неравно­ мерной температурной деформации являётся и разная величина коэффициента температурного расширения металла а. В раз­

деле 3 было показано, что участки чугунных отливок с различ­ ной микроструктурой металла имеют разный коэффициент температурного расширения, а следовательно, и разную темпе­ ратурную деформацию Дб (см. рис. 22) при одинаковом изме­ нении их температуры. После полного охлаждения таких отли­

вок свободная длина их участков, имеющих разную микро­ структуру металла, будет различной, как и в случае, изображен­ ном на рис. 61,б. Только в данном случае неравномерность свободной деформации частей отливки вызвана не пластической,

атемпературной их деформацией.

Всамом общем случае полная деформация е любого мате­ риала складывается из температурной (6), упругой (еу), пла­ стической (еп) и структурной (ес) деформаций

ках при их охлаждении, обычно рассматривается совместно с температурной деформацией в виде свободной усадки металла. Поэтому в дальнейших рассуждениях ее учитывают не отдельно, а как составную часть величины б. При этом в уравнении (67) следует принимать ес = 0.

Напряжения всегда однозначно связаны только с упругой деформацией. При отсутствии упругой деформации напряжения тоже отсутствуют.

На основании используемой в сопротивлении материалов гипотезы плоских сечений предположим, что рассматриваемое сечение отливки все время остается плоским. Тогда для обе­ спечения неразрывности металла отливки суммарная деформа­ ция е в направлении, перпендикулярном к плоскости этого се­ чения, должна быть для всех его участков либо одинаковой (рис. 61,6 и в), либо линейно зависеть от прямоугольных ко­ ординат (рис. 61,г). Если при отсутствии внешних сил, дей­ ствующих на отливку, это условие обеспечивается в какой-то момент времени только суммой температурной и пластической деформаций и для его выполнения не требуется наличия упругой деформации, то в этот момент напряжений в отливке не будет. То же самое получится, если это условие будет выполняться при наличии только одной пластической или одной температур­ ной деформации.

Важное практическое значение имеет следующий частный случай. Если тело, в котором отсутствуют остаточные напряже­ ния и материал которого обладает одинаковым и постоянным коэффициентом температурного расширения а, нагреть так, что температура в любой его точке будет линейной функцией пря­ моугольных координат, то никаких напряжений в нем не возникнет. Получается это потому, что температурная дефор­ мация 6 в данном случае будет линейной функцией координат и основное условие неразрывности материала рассматриваемого тела будет выполнено без наличия упругой или пластической деформаций.

Аналогичные условия возникают и в отливке, которая охла­ ждается, начиная с температур, соответствующих пластичному

132

состоянию ее материала, так, что в любой момент времени температура в каждой ее точке является линейной функцией прямоугольных координат. То, что такое охлаждение начинается еще при пластичном состоянии материала отливки, обеспечи­ вает отсутствие в исходном состоянии неравномерной пласти­ ческой деформации, которая в дальнейшем вызвала бы оста­ точные напряжения. Если в отливке, материал которой находится в пластическом состоянии, и имелась неравномерная пластическая деформация, то после возникновения в этой отлив­

пластической и в то же время линейной температурной дефор­ мациях обеспечить линейный характер изменения полной дефор­ мации е (условие неразрывности) можно только при наличии упругой деформации. Но материал отливки находится в пла­ стичном состоянии и эти напряжения сразу же будут сняты новой пластической деформацией. Получившаяся суммарная пластическая деформация обязательно будет либо равномерной

ратурного поля при дальнейшем охлаждении отливки объяс­ няется тем, что отклонение от линейного распределения темпе­ ратуры вызовет неравномерные пластические деформации, которые при переходе металла из пластичного состояния в упру­ гое, останутся в отливке и создадут в ней остаточные напряже­ ния. Некоторое отклонение температурного поля отливки от линейного возможно только при упругом состоянии ее металла, так как тогда это вызовет только временные напряжения, но не приведет к образованию неравномерной пластической деформа­ ции. Правда, и в этом случае отклонение фактического темпе­ ратурного поля от линейного не должно быть очень большим, так как иначе возникнут значительные временные напряжения, способные вызвать неравномерную пластическую деформацию металла (абсолютно упругого металла нет) или даже разрушить отливку.

Если температуру каждой точки рассматриваемого плоского сечения отливки представить графически в виде отрезка прямой, перпендикулярной к плоскости этого сечения, то линейное тем­ пературное поле будет иметь вид плоскости Т, произвольно

наклоненной к плоскости рассматриваемого сечения отливки (рис. 62). Чтобы в отливке отсутствовали остаточные напряже­ ния, линейное распределение температурного поля должно быть во всех произвольно взятых ее сечениях. При этом расположе­ ние температурной плоскости Т относительно рассматриваемого

сечения (ее наклон и т. п.) не имеет никакого значения. Важно

133

лишь, чтобы температурное поле любого сечения всегда изобра­ жалось плоскостью.

Все сказанное справедливо только при постоянной величине коэффициента а и отсутствии воздействия на отливку какихлибо внешних сил. И то, и другое условие в чугунных отливках строго не соблюдается. Коэффициент а зависит от температуры металла и его структуры. Внешней силой, действующей на от­ ливку, является сила, возникающая от сопротивления формы усадке металла, Но основной причиной образования в отливке неравномерной пластической деформации являются все-таки

температурные перепады, возни­ кающие при повышенной темпе­ ратуре между отдельными ее уча­ стками, охлаждающимися с раз­ личной скоростью. Поэтому, если в течение всего процесса охлаж­ дения в отливке существует ли­ нейное температурное поле, то возникающие в ней остаточные напряжения от некоторого изме­ нения а и сопротивления формы

обычно невелики.

Механизм образования оста­ точных напряжений в отливках от неравномерного их охлаждения был в общих чертах описан

Е. Гейном [45], который принял следующие допущения. При до­ статочно высокой температуре t, когда t > t*, где I* является

критической температурой, металл отливки находится в абсо­ лютно пластичном состоянии. Это означает, что даже небольшое напряжение вызывает в нем интенсивную пластическую дефор­ мацию (рост которой не прекращается, пока действует напряже­ ние). При температуре t < t* металл находится в абсолютно уп­

ругом состоянии, т. е. любое напряжение не может вызвать в нем пластической деформации. В момент достижения металлом тем­ пературы t* происходит мгновенный его переход из пластичного

состояния в упругое.

так как любые возникающие в отливке напряжения тут же снимаются пластической деформацией и упругая деформация равна нулю. Следовательно, неравномерность температурной деформации, возникающая в процессе охлаждения отливки, полностью компенсируется в этом случае только пластической деформацией металла.

134

В момент достижения температуры t* пластическая дефор­

мация равна е* . При дальнейшем охлаждении отливки, когда металл находится уже в абсолютно упругом состоянии, урав­ нение (67) имеет вид

ниями, возникающими в данной точке рассматриваемого тела. Если температура всех участков отливки в момент начала ее охлаждения одинакова, то температурная их деформация б

пластической деформации различных участков отливки, влияет только температурное поле отливки в момент (или период) перехода ее металла из пластичного состояния в упругое. Любая неравномерность охлаждения различных участков отливки, как до, так и после этого перехода, будет сказываться только на величине возникающих в ней временных напряжений, но никак не отразится на остаточных напряжениях.

Следовательно, чтобы устранить остаточные напряжения, возникающие в отливке из-за неравномерного ее охлаждения в форме, необходимо обеспечить во всех участках этой отливки одинаковую температуру или линейное ее распределение в лю­ бом сечении (рис. 62), главным образом в период перехода металла из пластичного состояния в упругое. При дальнейшем охлаждении в зоне абсолютно упругого состояния металла необходимо лишь следить, чтобы временные напряжения, воз­ никающие из-за температурных перепадов и сопротивления фор­ мы усадке, не превысили предела прочности и не вызвали тем самым разрушения отливки. На величину остаточных напряже­ ний при абсолютно упругом металле временные напряжения никак не повлияют.

Аналогично температурным деформациям будет влиять на величину остаточных напряжений и пластическая деформация металла, возникающая от сил сопротивления формы его усадке. Если при переходе металла из пластичного состояния в упругое пластическая деформация всех частей отливки одинакова (неза­

135

висимо от абсолютной ее величины), то остаточные напряжения будут отсутствовать (см. рис. 61,6). Характер изменения пластических деформаций отливки от сопротивления формы во время ее охлаждения в зоне чисто пластичного состояния ме­ талла не оказывает на остаточные напряжения никакого влияния.

В действительности сделанные Е. Гейном допущения об абсолютно пластичном и абсолютно упругом состоянии металла не совсем точны. Все реальные металлы и сплавы обладают уп­ ругими свойствами при любых самых высоких температурах и пластичными свойствами при низких температурах. Можно лишь говорить о значительном преобладании при данной тем­ пературе одного из указанных свойств над другим при обяза­ тельном наличии второго свойства.

Кроме того, не существует критической температуры t*

перехода металла из пластичного состояния в упругое. Обычно этот переход происходит в интервале температур, причем его границы зависят от величины возникших в отливке временных напряжений, а также от скорости ее охлаждения, т. е. от про­ должительности действия данных временных напряжений при рассматриваемой температуре [22].

В то же время использование сделанных Е. Гейном допу­ щений позволяет выяснить наиболее характерные особенности рассматриваемого процесса, а в некоторых случаях даже оце­ нить возможную величину временных и остаточных напряжений, возникающих в отливках при их охлаждении в форме.

Поэтому рассмотрим согласно Е. Гейну процесс образования

процесс охлаждения массивного 1 и тонких 2 стержней решетки представлен на рис. 63, а, а соответствующее изменение их длин — на рис. 63,6. Для простоты принимаем, что в начальный

момент времени все стержни решетки затвердели и имеют оди­ наковую температуру.

Изменению температуры массивного стержня соответствует кривая 1, а тонких стержней — кривая 2 рис. 63, а. Если бы поперечины 3 в решетке отсутствовали, то изменению свобод­

ной длины массивного и тонких стержней соответствовали бы кривые 1 и 2 рис. 63, 6. Но абсолютно жесткие поперечины 3,

которыми скреплены все стержни решетки, все время обеспечи­ вают одинаковую длину как массивных, так и тонких стержней, причем из условий силового равновесия всех стержней постоян­ но соблюдается равенство

возникающие в массивном и тонких стержнях.

136

(рис. 63,6), а массивный стержень пластически сжат на длину,

В) в)

Рис. 63. Трехзвенная литейная решетка и кривые изменения тем­ пературы и длина ее стержней

равную ЬЬ1. При дальнейшем охлаждении от ті до х2 в пласти­

ческом состоянии находится только материал массивного стержня. Поэтому компенсация разницы температурных дефор­ маций стержней происходит только за счет пластической дефор­ мации материала массивного стержня. В результате суммарная длина стержней в этот период изменяется по кривой Ьс

(рис. 63,6), все точки которой отстоят от соответствующих точек кривой Ь2с2 на одинаковом расстоянии Ь2Ь = с2с.

К моменту перехода материала массивного стержня в упру­ гое состояние (тг) его пластическое сжатие достигает величины СС\. Пластическое растяжение тонких стержней сохраняется рав­ ным с2с = Ь2Ь. Если бы в этот момент устранить поперечину 3

137

и дать всем стержням свободно охладиться до 20° С, то массив­ ный стержень 1, охлаждающийся с более высокой температуры, оказался бы короче тонких стержней на величину с2сі

(рис. 63,6). В момент т2 различие длин стержней, возникающее из-за предыдущей их пластической деформации, компенсируется разницей температурных деформаций Д/( более нагретого мас­ сивного стержня 1 и более холодных стержней 2. Поэтому при

(с2сі — Ah) должна компенсироваться какой-либо деформацией, так как все стержни жестко связаны поперечинами 3 и в любой

момент времени должны иметь одинаковую длину. После т2 материал всех стержней находится в абсолютно упругом состоя­ нии и указанная разность может компенсироваться только упругими деформациями, возникающими при наличии в стерж­ нях соответствующих напряжений. Соотношение между возни­ кающими в стержнях напряжениями всегда таково, что удовлет­ воряется уравнение (70).

После полного охлаждения всех стержней до 20° С, когда Alt становится равной нулю, существовавшая в момент т2 раз­

ность их длин сіс2 должна компенсироваться упругими дефор­

получить искомые величины остаточных напряжений щ и а2. Е. Гейном было рассмотрено образование остаточных на­

пряжений только от пластической деформации металла отливок,

тивление продольной усадке стержней решетки. Тогда при охлаждении отливки до момента ті сопротивление формы ска­ жется только на некотором изменении распределения пласти­ ческих деформаций между массивным и тонкими стержнями, так как изменение длины стержней будет происходить по неко­

138

зится и только уменьшит величину общей усадки отливки после полного ее охлаждения.

В период охлаждения отливки от ті до т2 сопротивление формы вызовет упругое растяжение тонких стержней на величи­ ну Д/2, в результате чего пластическая деформация массивного стержня 1 уменьшится и станет равной с'сі. После охлаждения

до 20° С и выбивки отливки из формы силовое воздействие по­ следней на отливку прекращается. При этом упругие деформа­ ции должны компенсировать уже меньшую суммарную

где Д2 — упругая деформация, соответствующая растяжению тонких стержней на величину Д/2.

В данном случае сопротивление формы вызвало уменьшение остаточных напряжений, получающихся в отливке из-за нерав­ номерного ее охлаждения, причем это уменьшение было полу­ чено в результате упругой деформации тонких стержней, обеспе­ чившей уменьшение пластической деформации массивного стержня.

Но чаще сопротивление формы (особенно стержней) усадке металла влияет на возникающие в отливке остаточные напряже­ ния из-за получающейся дополнительной пластической дефор­ мации металла. В зависимости от характера этой пластической деформации сопротивление формы может не только уменьшать, но и увеличивать остаточные напряжения.

Основной причиной влияния, оказываемого сопротивлением формы усадке металла на остаточные напряжения в отливке, является то, что любой металл никогда не бывает абсолютно упругим, причем величина возникающей в нем пластической де­ формации зависит от величины действующего в данный момент

ческое растяжение массивного стержня на величину Д/п и сум­

этом из левой части уравнения (72) необходимо дополнительно вычесть пластическую деформацию Дпі, соответствующую удли­ нению Д/пі. Пластическая деформация Дпі массивного стержня еще больше уменьшит величину возникающих в решетке оста­ точных напряжений.

139