|
Температурный коэффициент
объемного сжатия твердых металлов |3Т благодаря их изотропности равен Зу (у —
коэффициент линейного сжатия). В связи с этим усадку металлов в твердом
состоянии оценивают коэффициентом линейной усадки е.
Линейная усадка сплавов начинается с момента, когда на
поверхности отливки образуется твердый каркас, термическое сжатие которого
можно оценивать коэффициентом линейной усадки. Температура сплава, при
которой формируется необходимый для начала линейной усадки каркас, названа
академиком А. А. Бочва- ром температурой начала линейной усадки л у.
У многих металлов и сплавов при определенных условиях
может иметь место предусадочное расширение, связанное с фазовыми
превращениями, выделением газов и другими явлениями. Предусадочное расширение
может существенно влиять на общую линейную усадку.
Изменение линейных размеров отливки в период охлаждения
имеет важное значение для получения изделий заданных геометрических размеров.
Сокращение линейных размеров, определяемое только свойствами самого сплава,
без внешнего торможения принято называть линейной (свободной) усадкой.
Для того чтобы получить отливку заданных размеров, размеры
модели должны быть больше размеров отливки на величину усадки данного сплава.
При изготовлении сложных по конфигурации отливок усадке
сплавов оказывают сопротивление внутренние стержни, выступающие части формы.
Кроме механического торможения усадки, сплавы отливок испытывают термическое
торможение, связанное с разницей температур отдельных частей при охлаждении.
Поэтому действительное изменение размеров отливки характеризуется
коэффициентом литейной (затрудненной), а не линейной усадки. Значения
литейной усадки могут быть неодинаковы в различных направлениях даже в
пределах одной отливки.
Неравномерность и неодновременность усадки различных
частей отливки вызывает возникновение внутренних напряжений трех видов:
механические ам (усадочные), обусловленные торможением
усадки формой и стержнем;
термические ат, появляющиеся в результате разницы скоростей
охлаждения отдельных частей отливки;
фазовые возникающие в результате неодновременного
протекания фазовых превращений в сплаве.
Литейные напряжения ал равны сумме напряжений всех видов:
л = м + °т ± аФ- Фазовые напряжения могут усиливать и ли ослаблять литейные,
так как превращения в сплаве могут протекать с уменьшением или увеличением
объема.
Напряжения могут быть временными и остаточными. Временные
напряжения существуют до тех пор, пока действуют внешние силы. Остаточные
существуют в отсутствие внешних сил и уравновешиваются в объеме отливки.
Внутренние напряжения могут достигать больших значений,
что приводит к короблению отливок и даже к возникновению в них трещин.
На возникновение механических напряжений сильное влияние
оказывают металлические стержни, поэтому их извлекают из отливки задолго до
полного охлаждения, устраняя этим препятствие развитию усадки.
Наиболее благоприятные условия для усадки создаются в том
случае, когда после формирования поверхностных слоев отливки литейная форма
становится податливой. Это достигается введением в смеси добавок,
способствующих уменьшению ее прочности при нагреве до высоких температур,
использованием полых стержней. На практике широко используют такой
технологический прием, как извлечение из формы отливок, не ожидая их
окончательного охлаждения.
Рассмотрим возникновение термических напряжений в отливке
типа бруса с выступающим тонким ребром / ( 15, а). При анализе охлаждения и
усадки принимаем: 1) обе части отливки достигнут /я.л. у одновременно; 2)
сплав до определенной температуры может пластически деформироваться под
воздействием даже незначительных напряжений; 3) переход сплава из
пластического состояния в упругое происходит при определенной температуре; 4)
коэффициент линейного термического сжатия не зависит от температуры.
Скорости охлаждения сильно отличающихся по толщине / и II
частей отливки в разные периоды будут различными, хотя конечной температуры
они достигнут примерно в одно и то же время вследствие высокой
теплопроводности ( 15, б).
Благодаря пластической деформации внутренние напряжения в
отливке снимаются. Кривая изменения длины всей отливки — кривая А В — будет
проходить между линиями свободной усадки сплавов отдельных ее частей.
При дальнейшем охлаждении сплав тонкого ребра переходит в
область упругих деформаций, в то время как сплав массивного бруса продолжает
сохранять способность к пластической деформации. В период тг—т2 размеры
отливки изменяются пропорционально скорости охлаждения тонкого ребра, поэтому
кривая ВС параллельна кривой bJo. НО как только сплав бруса и ребра окажется
в области упругих деформаций (при т > т2), релаксация
(процесс постепенного возврата в состояние равновесия)
напряжений проходить не сможет.
Неравномерное охлаждение отдельных частей отливки в этот
период приводит к возникновению внутренних напряжений, в том числе и
остаточных. Изменение размеров отливки при охлаждении до нормальной
температуры составит Д/0_4, и пройдет она за время т2—т4. К моменту времени
т4 ребро / должно было бы измениться на Д/2_4 (кривая CD1 проходит
параллельно соответствующему по времени участку кривой / на 15, б, так как
усадка пропорциональна градиенту температур), но из-за массивного бруса,
который охлаждается с большей скоростью за счет повышенного температурного
градиента, оно упруго сжимается- Так, к моменту т3, когда температура
ребра / еще не дости
гла температуры окружающей среды, его усадка (состояние
сплава— упругое) составляет Д/1-4 = Д/0_3» но размеры отливки продолжают
изменяться, и ко времени полного охлаждения ребро / окажется сжатым уже на
DXD. Сплав бруса II к концу охлаждения полной усадки Д/2_4 не претерпевает, и
брус оказывается растянутым на Z)D2.
В отливке возникают остаточные внутренние напряжения, величина
которых пропорциональна вынужденной деформации DXD2 или температурному
градиенту массивной и тонкой частей в момент их перехода в область упругих
деформаций (/2_2— Полнота релаксации напряжений з области пластических
деформаций зависит от соотношения скоростей возникновения напряжений и
деформации. Если скорость деформации мала, то остаточные напряжения могут
вызвать образование трещин в отливке. Для уменьшения остаточных напряжений
следует обеспечить равномерное охлаждение всех частей отливки.
Напряжения, возникающие в области упругих деформаций,
могут привести к короблению отливки или даже к ее разрушению.
В случае, когда отливка сохраняет свою целостность и
конфигурацию, остаточные внутренние напряжения существенно снижают ее
прочность.
Напряжения, как результат неравномерности охлаждения,
могут возникать не только в сложной отливке с различной толщиной стенок, но и
в простой массивной отливке, поверхностные и внутренние слои которой
охлаждаются с различными скоростями. После окончания охлаждения поверхностные
слои окажутся в сжатом состоянии, а внутренние — в растянутом.
Разрушение металла (образование трещин) под воздействием
внутренних напряжений происходит в различные периоды формирования отливки,
что определяет название трещин: кристаллизационные (когда еще имеется жидкая
фаза); горячие (при высоких температурах); холодные (при низких
температурах).
Снизить внутренние термические напряжения в отливках можно
конструкторскими и технологическими мероприятиями. Например, опасность
образования напряжений можно уменьшить, если устранить разнотолщинность,
предусмотреть в массивных частях детали внутренние отверстия, а на
выступающих частях ребра жесткости. Технологический процесс должен обеспечить
оптимальную скорость охлаждения отливок. Это достигается подбором материала
формы и температуры заливаемого сплава, выбором места подвода расплава к
полости формы, расположения прибылей и холодильников. В связи с этим важное
значение приобретает определение скорости охлаждения отливок в форме в
различные периоды.
На основе анализа температурного поля в форме,
определяемого количеством теплоты, аккумулированным ею при охлаждении
отливки, Г. Ф. Баландин предложил уравнение для расчета времени охлаждения
тохл отливки в форме до любой температуры:
Внутренние напряжения могут быть устранены или практически
сняты термической обработкой отливок, обычно отжигом. Во время выдержки при
повышенных температурах в металле активно развивается процесс релаксации за
счет пластической деформации. Режим термической обработки определяется в
зависимости от состава сплава и склонности его к трещи нообразова- нию, массы
и конфигурации отливки, способа ее изготовления.
|