книги / Теория литейных процессов

дислокаций в структуре. После перехода всей отливки в упругое состояние (на рис. 11.28, а с момента г*, когда t2 < t*) возникающие деформации приводят к появлению термических напряжений (<TT)I, 2 = Ее\щ2. С момента г* до полного остывания массивная часть отливки, охлаждаясь от /2*, получит большую свободную усадку (гсц)2 = а.,/2*> чем тонкая (есв)| = aTt\ (рис. 11.28, б), поэтому после полного охлаждения массивная часть будет согласно (11.125) растянута на величину е2 = aTt2* - так как усадка отливки за тот же период готл < (еСв)2- Соответственно тонкая часть при остывании от более низкой температуры t\* будет сжата на величину -е\ = a j i* - £отл, так как £отл > (£CB)i. Выражая еот;, через среднюю температуру в момент г*

h + J 2

гдеf иfi - сечения тонкого и масивного элементов, получим после несложных преобразований

J1 ' J 2

здесь Д/* = t2* - t \ * - перепад температур в отливке в момент г*.

Рис. 11.28. И зм ен ен и е тем пературы (а ) и усадки ( б ) тон к ого ( / ) и м ассивного (2) брусков при охл аж ден ии отливки сл ож н ого сечения (в)

Таким образом, термические напряжения возникают в момент условного перехода отливки в упругое состояние, возрастающее по мере охлаждения, и достигают максимального значения (11.127) после полного выравнивания температур. Величина ат определяется перепадом температур Д/*, то есть неравномерностью охлаждения различных частей отливки, а распределение напряжений зависит от соотношения площадей их сечения f и / 2. Отливки из материала с большим модулем упругости Е имеют более высокий уровень остаточных напряжений.

Уменьшение теплопроводности сплава увеличивает градиент температуры по сечению отливки и, следовательно, уровень напряжений 1 рода. Очевидно также влияние температурного коэффициента линейного расширения атна уровень напряжений 1 рода. В результате ат структурных составляющих могут возникать также термические напряжения И рода. Анализ процесса

возникновения термических напряжений показал, что остаточные напряжения не зависят от размеров отливки и пропорциональны различию сечений элементов отливки. При этом в толстых сечениях развиваются растягивающие напряжения, в тонких - сжимающие.

Радикальное устранение внутренних и остаточных напряжений достигается при создании равностенных конструкций или при охлаждении всех частей отливки с одинаковыми скоростями.

При выбивке отливок резко возрастает различие скоростей охлаждения частей отливок неодинакового сечения, а следовательно, возрастают внутренние напряжения. В качестве примера можно привести величины напряжений во втулках из ковкого чугуна при различных температурах выбивки (табл. 11.11).

Таблица 11.11

Зависимость остаточных напряжений от температуры выбивки______

Наиболее действенной мерой устранения остаточных напряжений является отжиг отливок.

Для его осуществления необходимо нагреть отливку до температур, при которых металл приобретает достаточно высокую пластичность, выдержать ее до тех пор, пока напряжения не снизятся до допустимой величины, и медленно охладить отливку, чтобы не вызвать новых напряжений.

Для большинства сталей и чугунов температура, при которой пластические напряжения переходят в упругие, лежит около Ту= 620-650 °С. Из табл. 11.12 следует, что при выдержке отливок из среднеуглеродистой стали в течение шести часов при увеличении температур отжига степень снятия остаточных напряжений резко возрастает.

Скорость охлаждения отливок с печью обычно составляет 6-12 °С/ч, температура выгрузки из печи - 250-300 °С.

Приближенные расчеты усадочных напряжений проводят по формуле

(11.128)

где F0, Ео - площадь поперечного сечения, м2, и модель упругости, МПа, материала отливки; F(|„ Еф - площадь сжимаемого слоя, м“, формы и модуль деформации, МПа, формовочной смеси; а - коэффициент усадки сплава отливки, 1/К.

Это выражение не учитывает существенных факторов, заметно влияющих на уровень напряжений, поэтому используется только для качественного анализа возможного процесса развития напряжений в зависимости от учитываемых факторов.

Для сплавов на основе железа существенными являются фазовые напряжения, которые в разные периоды охлаждения отливки могут повышать и снижать усадочные и термические напряжения. Способов расчета и экспериментального определения чисто фазовых напряжений нет, так как они всегда связаны с изменением температуры и, следовательно, с возникновением или усадочных, или термических напряжений. Однако влияние их на уровень усадочных напряжений в простейших отливках фиксируется экспериментально и учитывается при расчетах.

Формула для расчета внутренних напряжений, возникающих в прутке с заторможенными концами, <гт, МПа, выведена аналитически с учетом экспериментальных измерений (В. И. Швецов, В. М. Александров), проведенных на образцах из стали 15Л, 110Г13Л и ЗОХНМЛ, а также из сплава АК9

где а и в - коэффициенты температурной зависимости соответственно модуля упругости и усадки сплава отливки, МПа/К.

При полном торможении усадки, что является характерным в начале формирования отливки в любой форме, п = 0 и означает численное равенство суммы упругой и пластической деформации величине свободной усадки.

Для сплавов на основе железа, претерпевающих полиморфные превращения, выражение (11.129) используют только до температуры начала превращения у -» «, поскольку коэффициенты а и в в а-области заметно уменьшаются. Кроме того, в переходном интервале существенное влияние на деформацию оказывает перлитное расширение еу _> u (фазовая дилатация).

Поэтому при определении напряжений в переходной области рассчитывают

величину упругой деформации бупри температуре Т"_>а из условия

Здесь <гт„ и ат, - уровень напряжений при температурах начала и конца

превращения у —» а; Ет„ и ЕтК - значения модуля упругости материала отливки

при температурах начала и конца превращения, полученные расчетом по выражению (11.130).

В зависимости от величины перлитного расширения еу _ а напряжения могут снижаться вплоть до отрицательных значений (до противоположного знака - сжатия), если концы прутка закреплены жестко. При дальнейшем охлаждении отливки уровень напряжений изменяется с температуры начала торможения в «-области по известному закону Гука с учетом изменения температуры

В«-области релаксацией напряжений пренебрегаем в силу малого значения и небольшой продолжительности при температурах ниже температуры перехода в упругое состояние.

Вотливке с переменным сечением расчет напряжений усложняется неодновременным протеканием фазовых превращений в участках.

Таким образом, описанный способ позволяет рассчитать уровень усадочных напряжений с учетом влияния фазовых превращений. Точность расчета зависит, главным образом, от точности определения характеристик сплава и затрудненной усадки отливки. По этой методике можно определить уровень напряжений в элементах прутка переменного сечения, а также в элементах решетки.

В результате ускоренного охлаждения тонкой части бруска он будет изгибаться сначала толстой частью наружу, а при ускоренном охлаждении плоской плиты по периметру она также будет соответствующим образом изгибаться. Если изгиб, вызванный неравномерным охлаждением, не выйдет из пределов других деформаций, то отливки после охлаждения примут первоначальную форму. Однако очень часто деформация приобретает пластический характер, и первоначальная форма после охлаждения не восстанавливается, приобретая обратный знак по сравнению со схемами, приведенными на рис. 11.29. В этом случае отливки нуждаются в исправлении их формы при помощи механического деформирования (правка).

В качестве основных мероприятий по предотвращению коробления отливок используются следующие:

создание отливок с одинаковой толщиной всех ее связанных элементов, обеспечивающей равную скорость их охлаждения;

применение ребер жесткости, препятствующих короблению; ускоренное охлаждение массивных частей отливки при помощи

холодильников или иными методами.

Вопросы для самоконтроля знаний

1.В чем заключается физическая сущность усадочных явлений?

2.Что называется усадочной пористостью?

3.Какие виды усадочной пористости Вы знаете?

4.Какие меры борьбы с усадочной пористостью Вы знаете?

5.Дайте определение усадочной раковины.

6. Расскажите о ходе образования усадочной раковины у отливки без прибыли. 7. Какие типы усадочных раковин Вы знаете?

8. Какие пробы для определения развития усадочных раковин Вы знаете?

9.Как определяется объем усадочной раковины?

10.Как можно решить задачу образования усадочной раковины в цилиндрической отливке?

11.Как можно определить величину и конфигурацию усадочной раковины в рамках тепловой теории затвердевания отливки?

12.Как влияют технологические факторы (температура перегрева металла, температура заливки, скорость охлаждения отливки) и состав сплава на процесс усадки?

13.Для каких целей применяют прибыль?

14.Для каких сплавов применяют прибыль?

15.Дайте классификацию прибылей.

16.В чем заключается метод выкатывания шарика при проектировании прибылей?

17.В чем заключается сущность инженерных методов расчета усадочных раковин и прибылей?

18.Какие основные требования предъявляются к размерам и формам прибылей?

19.Нарисуйте схемы для расчета зон действия прибылей и торцевого эффекта с холодильником и без него.

20.Как выбирают геометрические размеры прибылей по их объему?

21.Как можно организовать процесс питания путем регулирования работы прибылей?

22.Назовите причины возникновения усадочной деформации и литейных напряжений в отливках.

23.Назовите причины усадочного расширения в сталях, чугуне и цветных сплавах.

24.Какие виды напряжений Вы знаете?

25.Назовите причины возникновения коробления отливок и меры борьбы с этим явлением.

Библиографический список

1. Баландин Г. Ф. Основы формирования отливки в 2 ч. / Г. Ф. Баландин. - М. Машиностроение, 1979.

2.Василевский П. Ф. Технология стального литья / П. Ф. Василевский. - М. Машиностроение, 1974.

3.Вейник А. И. Теория затвердевания отливки / А. И. Вейник. -М . : Машгиз, 1960.

4.Гуляев Б. Б. Теория литейных процессов / Б. Б. Гуляев. - Л. : Машиностроение, 1976.

5.Куманин И. Б. Вопросы теории литейных процессов / И. Б. Куманин. - М. Машиностроение, 1976.

6. Мамина Л. И. Теоретические основы литейного производства учеб, пособие

/ Л. И. Мамина. - Красноярск : КГАЦМ и 3, 2002.

7.Нехендзи Ю. А. Стальное литье / Ю. А. Нехендзи. - М. : Металлургиздат, 1948.

Изд-во Хабар, гос. техн. ун-та, 2001.

ГЛАВА 12. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРЯЧИХ ТРЕЩИН В ОТЛИВКАХ

12.1. Классификация трещин в отливках

Трещины представляют собой частичное или полное разрушение частей отливки, вызванное достижением предела прочности сплава растягивающими напряжениями, развивающимися в результате противодействующих сил или иных сил усадки в твердом состоянии.

Трещины подразделяются на холодные и горячие. Холодные трещины имеют блестящую поверхность, обычно с цветами побежалости и незначительным расхождением между краями. Они образуются при низких температурах (ниже 700 °С для стали и чугуна) после полного затвердевания отливок. Горячие трещины имеют черную окисленную поверхность и значительное расхождение между краями. Они образуются вблизи температур кристаллизации, когда в средней части отливки имеется жидкий металл.

Силы, тормозящие усадку и вызывающие напряжения, можно разделить на пассивные (рис. 12.1, а) и активные (рис. 12.1, б). Величина пассивных сил может существенно снижаться за счет пластической деформации отливки. К этой группе относятся:

торможение усадки песчаной формой, обладающей низкой податливостью;

торможение усадки одних частей отливки другими, охлаждающимися с различными скоростями.

Рис. 12.1. Торможение усадки пассивными (а) и активными (б) силами

Величина активных сил не зависит от пластической деформации и материала отливки. К этой группе относятся:

нагрузка упругим элементом; гидростатический напор металла;

центробежное давление при центробежной отливке; масса отливки в случае зависания на корочке.

12.2.Технологические пробы для оценки склонности сплавов

кобразованию горячих трещин

Склонность сплавов к образованию горячих трещин оценивается при помощи следующих проб (рис. 12.2).

1 W 1 в>

Рис. 12.2. Типы проб для определения склонности сплавов к образованию трещин

1. Оценка по критическому размеру образца. В качестве критического размера может применяться длина образца. На образце с фланцами (рис. 12.2, а) делается утолщение, охлаждающееся медленнее, чем основная

часть. В этом утолщении трещина и возникает. Чем длиннее тонкая часть образца, тем больше ее деформация и выше напряжение в толстой части. Из испытываемого образца отливается серия образцов разной длины. Длина образца, начиная с которой трещины образуются, рассматривается как степень трещиноустойчивости сплава. В качестве критерия оценки может служить также расстояние металлической перекладины от основания П-образного образца, при котором в углу образуется трещина (рис. 12.2, б). Чем больше

расстояние перекладины от основания отливки, тем больше плечо, выше изгибающее напряжение и вероятнее образование трещины.

2.Оценка по размеру трещины. В качестве критерия в этом случае применяются: длина, ширина, площадь или количество трещин на образце, отливаемом в условиях, когда они обязательно образуются. Такие пробы обычно имеют форму колец (рис. 12.2, в), заливаемых на металлических стержнях различного размера. Проба с распоркой, показанная на рис. 12.2, б, также может служить для оценки размеров трещин при постоянном положении

ееустановки. Пробы, имеющие форму колец, обычно используются для цветных сплавов, пробы с распоркой - для черных.

3.Оценка по критической нагрузке. В этом случае образец заливается

таким образом, что к одному из его концов заранее приложена нагрузка (рис. 12.2, г). Отливая серию образцов с различными нагрузками, можно

установить, при какой из них начинается образование трещин.

На образование трещин в отливках оказывают влияние следующие факторы:

усадка сплава в твердом состоянии;