» » Линейная усадка отливок. Деформации, напряжения, трещины в отливках
22.04.2015

Отливка по своим линейным размерам всегда меньше полости формы, в которой она получена. Эта разница называется абсолютной линейной усадкой. Относительной линейной усадкой называют отношение этой разницы к линейным размерам отливки после полного охлаждения.
Причина возникновения линейной усадки лежит в сокращении ее размеров как твердого тела при охлаждении. Различают свободную и затрудненную линейную усадку (рис. 28), при этом последняя всегда меньше первой. Затруднения линейной усадке создаются со стороны формы. Кроме того, ранее затвердевшие части отливки (тонкие ребра, выступы) оказывают сопротивление линейной усадке тех участков отливки, где затвердевание заканчивается позже. Все эти причины вызывают непостоянство величины линейной усадки.
Линейная усадка отливок. Деформации, напряжения, трещины в отливках

Начало линейной усадки отливки связано с образованием на ее поверхности достаточно прочной корки, способной выдержать металлостатическое давление жидкой сердцевины. Поэтому условия охлаждения оказывают большое влияние на проявление и величину линейной усадки. Это влияние усиливается внутренними напряжениями, схема которых такова, что срединные слои оказываются растянутыми, а наружные — сжатыми. В итоге происходит дополнительное сокращение линейных размеров, т. е. увеличение линейной усадки. Чем больше абсолютные линейные размеры отливок, тем меньше значения относительной линейности усадки, так как у больших и сложных отливок затрудняется усадка со стороны литейной формы. Относительная линейная усадка составляет 0,8—2,5 %.
Поскольку линейная усадка в отливках практически никогда не реализуется как свободная, а всегда в той или иной степени затруднена, в отливках возникают упругие и пластические деформации. Вызываемые этими деформациями напряжения могут остаться в теле отливки и вызвать ее коробление и разрушение.
Простейший случай деформации отливки можно видеть на рис. 28, а, где линейной усадке отливки будет препятствовать выступ формы между бобышками А и В. Вначале, пока металл имел высокую температуру и был мало прочен, линейная усадка вызывала на этом участке отливки пластическую деформацию. Затем металл, охлаждаясь, переходил в упругое состояние, и начиналась взаимная упругая деформация отливки и формы. Если форма имеет малую прочность, она вскоре разрушается, упругая деформация в отливке снимается и дальше отливка будет свободно сокращать свои размеры по мере остывания. Если же форма прочная и неподатливая (металлическая), то она будет непрерывно оказывать сопротивление усаживающейся отливке, так что в итоге возможны два исхода: отливка может выдержать всю пластическую и упругую деформацию, но остается «захваченной» в форме, так что извлечь ее почти невозможно; отливка не может выдержать деформацию, определяемую тепловой обстановкой, и разрушается. Очевидно, что оба случая не допустимы. Поэтому при использовании металлических форм отливки извлекают задолго до полного остывания, пока линейная усадка прошла лишь в незначительной степени, и нет опасности «захвата» или разрушения отливки.
Линейная усадка отливок. Деформации, напряжения, трещины в отливках

Деформации и соответственно напряжения в отливке обязательно появляются вследствие разницы температур на поверхности и в глубине тела отливки. Необходимо рассмотреть изменения размеров отдельных слоев в теле отливки в соответствии с их температурой. Для простоты рассуждений допустим, что отливка получена из чистого металла. На рис. 29 слой 1 расположен ближе к поверхности отливки, на расстоянии х1, слой 2 — более глубоко, на расстоянии х2. Слой 2 возникает заведомо позже слоя 1. В момент образования слоя 2 в слое 1 температура уже ниже точки кристаллизации. Таким образом, в исходный момент рассматриваемые слои имеют различную температуру. Будем рассматривать два участка в этих слоях, линейные размеры которых в исходный момент одинаковы и равны l0. Если бы эти два участка существовали независимо один от другого, то в слое 1 размер участка AB после полного охлаждения стал бы Л1Б. Его термическое сжатие равно AA1 = αl0 (t1—t3), где α — коэффициент термического расширения. Термическое сжатие слоя 2 на участке CD при условии свободного изменения размеров было бы равным CC1 = αl0(t2—t3). Очевидно AA1≤CC1, так как t1≤t2. Иными словами, сокращение от термического сжатия более холодного слоя должно быть меньше, чем более нагретого слоя. Ho эти слои находятся в одной отливке и не могут изменять свои размеры независимо один от другого. Поэтому оба слоя должны будут принять какой-то общий промежуточный размер lк. В связи с этим участок в слое 1 должен сократиться на A1A2, а участок; в слое 2 должен растянуться на C1C2. Таким образом, участки, затвердевающие последними и поэтому оказывающиеся более горячими к концу затвердевания всей отливки, неизбежно становятся растянутыми. Участки же, затвердевающие первыми, находятся в упруго сжатом состоянии. В данном рассуждении не принималось во внимание, что горячие слои некоторое время будут пластичными. Это обстоятельство вызовет определенную пластическую деформацию слоев, которая после достижения какой-то критической температуры сменится упругой. Таким образом, окончательная схема не изменится.
Величина возникающих напряжений обусловливается разницей в линейных размерах сравниваемых слоев при их свободной усадке. Эта разница равна δ = αl0(t2—t'2) — αl0(t1—t'1) = αl0 [(t2—t1) — (t'2—t'1)], где t'1 и t'2 — текущие температуры сравниваемых слоев. Отсюда следует, что величина напряжений тем больше, чем больше l0, т. е. чем крупнее отливка. Величина напряжений также будет тем больше, чем больше исходная разница температур рассматриваемых слоев t2—t1, т. е. чем больше перепад температур по сечению отливки в период затвердевания. Напряжения растут по мере уменьшения разницы температур между сравниваемыми слоями t'2—t'1, и максимальные значения напряжений достигаются после полного выравнивания температуры, когда t'2 = t'1 = tК. При этом оказывается, что абсолютное значение конечной температуры не имеет значения, так как tк не входит в выражение конечной разницы размеров слоев: δк = αl0(t2—t1).
Таким образом, напряжения рассматриваемого вида возникают из-за сопротивления наружных, ранее образующихся слоев, которое они оказывают усадке внутренних, более горячих участков. Эти напряжения, начав развиваться, непрерывно увеличиваются по мере охлаждения отливки, и знак напряжений не меняется. Величина и знак напряжений не зависят от абсолютного значения конечной температуры охлаждения. Напряжения, возникшие таким путем, называют остаточными температурными напряжениями.
Скорость охлаждения отливки оказывает решающее влияние на величину остаточных температурных напряжений. Так как большая скорость охлаждения обусловливает больший перепад температур по сечению отливки, то это вызывает и большую величину рассматриваемых напряжений. При определенной скорости охлаждения во внутренних слоях растягивающие напряжения достигают величины, большей предела прочности, и там происходит разрушение металла, появляются внутренние, не выходящие на поверхность трещины. Уменьшение скорости охлаждения вызывает уменьшение разницы температур по сечению отливки и тем самым снижение величины остаточных температурных напряжений. Если металл длительное время находится при повышенных температурах, возможна релаксация напряжений — переход упругой деформации в пластическую без изменения размеров тела.
Напряжения в отливках могут появиться также вследствие фазовых превращений, испытываемых металлом в твердом состоянии, если эти превращения проходят с заметными изменениями объема. Вследствие того что различные участки отливки охлаждаются неодинаково, фазовые превращения происходят в разные моменты времени в тонких и толстых частях, в поверхностных и глубинных слоях. Это неизбежно вызывает возникновение напряжений, которые называют фазовыми.
Остаточные напряжения приводят к короблению отливки. Лишь в идеальном случае напряжения распределяются столь симметрично и равномерно, что упругая деформация не искажает форму отливки. Основное направление коробления часто можно предугадать, если учесть вероятную схему температурных напряжений.
Для уменьшения и снятия напряжений в отливках обычно применяют отжиг. Само по себе повышение температуры отливки не способно вызывать изменение ни величины, ни схемы имеющихся остаточных напряжений, так как такие напряжения не зависят от конечной температуры отливки. Однако при повышенных температурах в металле начинают активно развиваться релаксационные явления и ползучесть. Упругие деформации переходят в пластические, отдельные слои пластически деформируются, в итоге напряжения исчезают. В процессе отжига из-за неравномерного снятия напряжений возможно коробление литого изделия.
Напряжения в отливках, вызванные разными причинами, могут превзойти не только предел текучести, но и предел прочности, в итоге должно произойти разрушение отливки. Разрушение может произойти при низких температурах. В этом случае поверхность образовавшейся трещины чистая и гладкая. Трещина проходит по телу зерен. Подобное разрушение называют транскристаллитным, а сами трещины — холодными. Трещины могут появиться и при высоких температурах, тогда их поверхность оказывается более грубой и часто окисленной Эти трещины называют горячими. Наконец трещины могут появиться на незатвердевших до конца участках отливки, где еще имеется жидкая фаза. Такие трещины называют кристаллизационными. Они проходят исключительно по границам зерен, т.е. являются межкристаллитными. Поверхность кристаллизационных трещин обычно сильно окислена. Кристаллизационные трещины представляют наибольшую опасность, так как они возникают в процессе затвердевания отливки, и в этот период бывает очень трудно найти способы ослабить сопротивление усадке.