Усадочные напряжения в отливках

Усадочными называются напряжения, возникающие в от­ливках вследствие усадки из-за ее торможения формой и стерж­нями и неодновременности протекания объемных и линейных из­менений в объеме отливки.

Рис. 3.19. Эпюры напряжений в брусе, нагруженном внешним моментом М (а) и неоднородно нагретом (б)

 

Усадочные напряжения подразделяются на механические, тер­мические и фазовые. Механические напряжения вызывают­ся торможением усадки формой и стержнями. Термические напряжения возникают из-за неоднородности температур в объе­ме отливки, а фазовые — из-за неодновременности протека­ния фазовых превращений в отливке (например, перлитного пре­вращения в тонких и толстых частях отливки из сплавов железа).

Названные выше напряжения являются временными, они ис­чезают при устранении причины, их вызывающей. Например, после выбивки отливок исчезают механические напряжения. После вы­равнивания температур (как правило, после полного охлаждения отливок) и окончания фазовых превращений соответственно ис­чезают термические и фазовые напряжения.

Следствием воздействия временных напряжений являются ос­таточные напряжения, которые появляются из-за неоднороднос­ти пластических (остаточных) деформаций в объеме отливки.

Следует отметить, что временные термические и фазовые на­пряжения и остаточные напряжения являются внутренними, они уравновешены в объеме отливки и отвечают классическим усло­виям равновесия: сумма сил и сумма изгибающих моментов равна нулю. При этом эпюра напряжений пересекает нейтральную ли­нию, по крайней мере, больше, чем один раз. Доказать это поло­жение можно с помощью эпюры напряжений. Например, на рис. 1.19 приведена эпюра напряжений σ в брусе, изогнутом под действием момента внешних сил (рис. 1.19, а)и неоднородно нагретом (рис. 1.19, б). В случае изогнутого под действием момента бруса соблюдается равновесие внешних и внутренних сил (эпюра пересекает нейтральную линию один раз), в случае неоднородно нагретого от Т2 до Т1 , по высоте h бруса равновесие выполняется только для внутренних сил, и эпюра пересекает нейтральную ли­нию два раза.

Механические напряжения.На рис. 1.20 приведена схема тормо­жения усадки отливки формой и стержнем и возникновения рас­пределенной нагрузки Р1 Р2 (от формы) и Р3, (от стержня).

 

 

Рис. 1.20. Схема торможения отлив­ки формой и стержнем и возник­новения распределенной нагрузки Р1, Р2, Р3 (В, Н — соответственно верх и низ формы)

Рис. 1.21. Схема торможения усадки бруса неподатливой формой (жесткая заделка)

 

Механические напряжения снимаются после выбивки отливки из фор­мы и выбивки из нее стержней. В механических неподатливых фор­мах механические напряжения максимальны и сильно затрудня­ют выбивку из них отливок. При этом механические напряжения в очень сильной степени зависят от температуры отливки в момент выбивки: чем эта температура ниже, тем механические напряже­ния больше. На примере жестко заделанного бруса, или его ох­лаждения в неподатливой форме, определим разность темпера­тур, при охлаждении на которую в отливке из серого чугуна СЧ15 возникнут напряжения, равные временному сопротивлению (пре­делу прочности) чугуна = 150 Н/мм2 (15 кгс/мм2) (рис. 1.21).

Примем, что модуль упругости чугуна Е= 1,2-105 Н/мм2, темпера­турный коэффициент линейного расширения (СЧ) = 12-10-6 К-1. Начальная температура бруса Т1, конечная Т2.

Механические усадочные напряжения при полном торможе­нии усадки (сжатии) бруса, как известно, можно определить по уравнению

 

(14)

 

Принимая из уравнения (14) находим искомуюраз­ность температур для серого чугуна:

 

 

Несмотря на то, что расчет приближенный, тем не менее он отражает реальную картину, в соответствии с которой чугунные отливки необходимо выбивать из металлической неподатливой формы как можно быстрее после затвердевания во избежание их разрушения.

Отливки из других сплавов также необходимо быстро выбивать из металлических форм по этой же причине и из-за трудностей их выбивки, как было отмечено выше.

Таким образом, механические напряжения могут быть причи­ной разрушения отливок и холодных трещин в них. Кроме того, они являются основной причиной горячих трещин в отливках (см. подробнее подраздел 1.7).

Торможение усадки сырыми песчано-глинистыми и особенно песчано-смоляными смесями существенно меньше. Сухие песчано-глинистые, жидкостекольные и цементные смеси вызывают в отливках меньшие, чем в металлических формах, но существенные механические напряжения, которые могут быть причиной горячих и холодных трещин в отливках. Замечено также, что горячие тре­щины возникают даже от торможения усадки формой и стержнями из холоднотвердеющих смесей, которые в первые моменты после заливки упрочняются под действием теплоты отливки.

Термические и фазовые напряжения. Формирование остаточных напряжений.Формирование временных термических и фазовых напряжений и, как их следствие, остаточных напряжений пред­почтительнее рассмотреть последовательно: сначала временные термические и остаточные, а затем совместно все выше назван­ные термические и фазовые напряжения.

Одной из основных причин возникновения остаточных напря­жений при любом технологическом процессе (обработке давле­нием, резанием, сварке, термообработке и др.) является неодно­родная пластическая деформация по сечению тела (в его объеме). Другой причиной появления остаточных напряжений в отливках является неодновременное затвердевание.

Имея в виду названные факторы, рассмотрим процесс возник­новения остаточных напряжений на примере трехзвенной усадоч­ной решетки с соотношением площадей поперечных сечений F1 = 2F2 толстого 1 и тонких 2 стержней (рис. 1.22, а). Решетка отлита из сплава, не претерпевающего фазовых превращений, на­пример из аустенитного чугуна. Как правило, для получения ка­чественных фасонных отливок основную роль играют перепады температур нагрева отдельных элементов. Перепады же темпера­туры по сечению каждого из элементов, в том числе и сечению элементов решетки, невелики, и ими можно пренебречь.

Напряжения возникают в процессе силового взаимодействия стержней решетки, начало которого в свою очередь связано с об­разованием на толстом стержне сплошной твердой корки. К этому моменту уже появилась разни­ца температур стержней 1 и 2 (ΔТН на рис. 1.22, б). По мере охлаждения отливки возникшие напряжения (растягивающие в тонких стержнях и сжимающие в толстом) продолжают расти, и это происходит до тех пор, пока разность температур не достигнет своего максимума (рис. 1.22, в). Период возрастания напряжений назовем I пе­риодом (рис. 1.22, г). Затем раз­ность температур начнет умень­шаться, и напряжения в систе­ме также начнут уменьшаться, и в момент времени τ0 они бу­дут равны нулю. Система разгрузится от напряжений (это соот­ветствует II периоду). При даль­нейшем охлаждении в каждом элементе возникают напряже­ния с обратным знаком (по сравнению с периодом I). Но­вые напряжения будут возрас­тать до полного охлаждения от­ливки (III период) и остаются в ней: в толстом стержне — рас­тягивающие σ1ост, в тонких — сжимающие σ2ост.

Остаточные напряжения воз­никают из-за разности темпера­тур ΔТН в начальный момент и вследствие неодинаковых плас­тических деформаций в толстом и тонком стержнях, происходящих в I и II периодах.

Возникновение пластических деформаций в I и II периодах свя­зано с тем, что знаки остаточных напряжений, как правило, обратны знакам пластических деформаций, которые могут возник­нуть в толстом и тонких стержнях. Однако в толстом стержне, имеющем более высокую температуру, пластические деформации сжатия будут больше, чем пластические деформации растяжения в тонких стержнях. При отсутствии пластических деформаций раз­грузка наступает в момент τ0 (см. на рис. 1.22, в). При наличии пластических деформаций в зависимости от их величины эта точ­ка начала разгрузки сдвигается влево, т.е. чем больше пластическая деформация, тем раньше наступает момент разгрузки. Если ΔТН = 0 и не было бы пластических деформаций, то разгрузка наступила бы после полного охлаждения, напряжения изменя­юсь бы по штриховым кривым и остаточных напряжений в отливке не было бы. Пластические деформации, очевидно, проте­кают и в III периоде, способствуя снижению остаточных напряжений в отливках.

Описанный механизм отличается от теории Гейна (рис. 1.22, д),в соответствии с которой напряжения в отливке возникают в мо­мент τп, когда температура толстого стержня равна условной тем­пературе перехода материала отливки из пластического состоя­ния в упругое. Отличие состоит в том, что при высоких темпера­турах в отливке существуют напряжения. По сравнению с остаточ­ными напряжениями они невелики, но определяют момент раз­грузки (конец II периода, см. рис. 1.22, г), по своему смыслу сход­ный с моментом достижения условной температуры перехода ма­териала толстого стержня отливки из пластического состояния в упругое. Наступление момента разгрузки зависит от начальной разности температур, скоростей охлаждения элементов, конфи­гурации отливки, сопротивления формы. В зависимости от усло­вий этот момент может наступить при разных температурах. В этом смысле теория Гейна с постоянной температурой для данного сплава представляется всего лишь частным случаем.

Рис. 1.22. Изменение температуры и напряжений в усадочной решетке из аустенитного чугуна

На формирование остаточных напряжений в сплошных телах, например слитках, также влияют неодновременность затвердева­ния по сечению и неоднородность пластических деформаций.

Выше рассмотрены отливки с симметричным уравновешенным сечением. В несимметричных отливках типа тавра наряду с воз­никновением напряжений наблюдаются потеря прямолинейнос­ти и искривление.

Механизм формирования напряжений подтвержден экспери­ментами, проведенными доцентом Л.С.Кипнисом и профессо­ром В.П.Сабуровым, с измерением усилий Р взаимодействия эле­ментов усадочной решетки.

В чугунах протекает фазовое перлитное превращение, поэтому процесс формирования напряжений значительно сложнее. Его можно разбить на семь периодов (рис. 1.23, I...VII), из которых нечетные — это периоды нарастания напряжений, а четные — периоды, когда напряжения убывают. Если начать рассмотрение процесса с периода V, то все происходит так же, как и в аустенитном чугуне, начиная с периода I. Общим для всех случаев яв­ляется то, что напряжения изменяются в зависимости от перепа­да температур. Напряжения начинают возникать при некоторой разнице температур. Существует момент, когда напряжения в си­стеме равны нулю (разгрузка) и имеется перепад температур между элементами. Начиная с этого момента формируются остаточные напряжения, пропорциональные разности температур в данный момент.

 

Рис. 1.23. Изменение температуры и напряжений в усадочной решетке из белого чугуна:

1 — температура в перемычке; 2 — температура в кольце;

3 — напряжение в перемычке

Разность температур между толстыми и тонкими элемен­тами решетки из чугуна, определяющая кинетику напряжений, изменяется по сложному закону вследствие теплового эффекта при перлитном превращении, протекающем неодновременно в толстых и тонких элементах. Максимумы разности температур со­ответствуют моментам начала перлитного превращения в тонких и конца этого превращения в толстых элементах.

В отливках из аустенитного чугуна напряжения возникают при 1180... 1200°С в толстом и при 1120...1140°С в тонких элементах. В отливках из белого чугуна эти процессы соответствуют темпера­турам 1190... 1240 °С и 1150... 1200 °С. Следовательно, напряжения в толстом стержне возникают при температурах на 50... 60 °С выше температуры солидуса. Последний момент разгрузки определяет остаточные напряжения, поэтому важно знать, при какой темпе­ратуре и разности температур он наступает. По эксперименталь­ным данным, полученным при исследовании толстых элементов усадочных решеток из стали, аустенитного и белого чугунов, он наступает соответственно при 1037, 730, 470 °С.

Наступление момента разгрузки, как уже отмечалось, зависит от многих причин, поэтому его определение затруднительно. Для того чтобы иметь представление о диапазоне температур, в кото­ром это происходит, можно воспользоваться сведениями о мо­менте появления максимальной разности температур.

Теоретически возможно, что связывание решетки в единую систему произойдет к моменту окончания затвердевания толстого стержня. В этом случае в нем с самого начала возникают растягива­ющие напряжения и возможно образование горячих трещин. Ниж­няя граница температур разгрузки может быть существенно мень­ше температуры солидуса. В частности, в отливках из серого, высокопрочного и белого чугунов последний (чаще второй) максимум разности температур наступает, когда в толстом элементе заканчивается перлитное превращение (700 °С). Очевидно, что разгрузка в большинстве случаев будет происходить при температурах ниже 700 °С.

Если известны момент τ0 разгрузки и разность температур ΔТ0 и этот момент между толстым и тонким стержнями усадочной решетки, то можно рассчитать величину остаточных напряжений в этих стержнях при допущении, что перемычка жесткая (неизгибающаяся), а модули упругости материала толстого и тонких стер­ли одинаковы.

Для расчета мысленно отрежем поперечины у решетки и заме­ним их силами: Р, которая растягивает толстый стержень, и дву­мя силами P/2, которые сжимают тонкие стержни. Суммарные линейные перемещения стержней по абсолютной величине будут равны усадочному перемещению при полном охлаждении решет­ки (рис. 1.24), т.е.

, (15)

где — линейное перемещение при растяжении толстого стер­жня длиной ; — линейное перемещение при сжатии тонких стержней той же длины; — температурный коэффициент ли­нейного сжатия сплава.

Используя закон Гука, найдем F

и .

Подставляя значения линейных перемещений в уравнение (15), найдем неизвестную силу Р:

.

Зная Р, находим остаточные на­пряжения:

в толстом стержне

; (16)

в тонких стержнях

; (17)

Рис. 1.24. Схема к расчету остаточных напряжений в уса­дочной решетке

При условии, что F1= 2F2

.

Ранее было отмечено, что усадочные напряжения при полном торможении усадки равны (уравнение (14)):

,

следовательно, в конкретной усадочной решетке остаточные на­пряжения равны половине усадочных, так как в решетке тормо­жение осуществляется не заделкой, оно определяется жесткостью стержней.

Технологические пробы для определения остаточных напряже­ний.Из уравнений (16) и (17) следует, что остаточные напря­жения в отливках из одного сплава определяются физико-меха­ническими свойствами сплава (α1, E), соотношением площадей сечений и перепадом температур, который зависит от того же соотношения площадей сечений и теплофизических свойств сплава и материала формы, т.е. условий охлаждения. В свою очередь, ве­личины α1 и Е также зависят от условий охлаждения. Однако в уравнениях (16) и (17) не учтены такие факторы, как неодно­родность температур по длине стержней и торможение усадки со стороны формы, которые, очевидно, будут влиять на момент раз­грузки и остаточные напряжения. Кроме того, остаточные напряжения будут зависеть от конструкции отливки и технологических факторов (температуры заливки, химического состава сплава, влажности формовочной смеси и т.д.). Поэтому для сравнитель­ной оценки склонности сплавов к остаточным напряжениям ис­пользуют технологические пробы.

Наиболее распространенной пробой являются уже упоминав­шиеся усадочные решетки — прямоугольные (см. рис. 1.22) и круг­лые (кольцо с толстой перемычкой), а также «беличья клетка».

При использовании прямоугольной усадочной ре­шетки замеряют расстояния l2 между кернами на перемычках и расстояния l1 между кернами на толстом стержне (близко к месту разрезки). Затем разрезают толстый стержень и снова замеряют эти расстояния l2' и l1'.

Перемещение, вызываемое растяжением толстого стержня, будет равно разности Δ = (l2 - l2') - (l1- l1'). Величина (l2 - l2') включает перемещение от растяжения стержня длиной l и пере­мещение от изгиба перемычки. По найденной Δ определяют оста­точные напряжения в толстом стержне:

,

где Е — модуль упругости сплава; l — длина толстого стержня.

Предполагается, что модуль упругости сплава известен. Последнее обстоятельство вносит элемент произвола и уменьшает достоверность производимых расчетов, поскольку модуль упругости для данной решетки неизвестен и для данного сплава может коле­баться в широких пределах. Это можно устранить, применив ме­тод, основанный на приложении к усадочной решетке внешней силы по оси толстого стержня, возвращающей решетку в исход­ное положение. По найденной силе можно определить и остаточ­ные напряжения, и даже модуль упругости сплава в решетке.

Следует отметить, что при определении остаточных напряже­ний с помощью проволочных тензорезисторов ошибка может до­стигать 60...70 %, так как остаточные напряжения по сечению тол­стого стержня распределены неоднородно. В этой связи отметим, что имеются и такие методы, как метод вырезанных столбиков с наклеенными тензорезисторами, магнитный метод, метод сострагивания слоев.

Пути уменьшения остаточных напряжений.Временные и оста­точные напряжения в отливках могут приводить к нежелательным последствиям. Временные напряжения, возникающие в процессе затвердевания и последующего охлаждения, могут вызывать об­разование горячих и холодных трещин, снижать механические свой­ства сплавов. В отливках, поперечное сечение которых относительно одной или обеих осей несимметрично, напряжения возникают одновременно с потерей прямолинейности (короблением). Оста­точные напряжения совместно с термическими напряжениями, образующимися при нагреве под термообработку или в процессе эксплуатации, совместно с рабочими напряжениями могут также вызывать разрушение отливки.

В процессе обработки резанием вследствие снятия напряжен­ных слоев металла происходит коробление отливок. При хране­нии, транспортировке и эксплуатации за счет возможной релак­сации (уменьшения) остаточных напряжений возможно искаже­ние формы, изменение размеров, выходящее за допускаемые пре­делы.

В связи с этим на всех этапах технологического процесса необ­ходимо стремиться к уменьшению напряжений, возникающих в отливках. Можно назвать следующие пути уменьшения напряже­ний в отливках: правильное конструирование отливок; воздей­ствие на процесс их охлаждения в форме и вне формы; увеличе­ние податливости форм и стержней; снятие остаточных напряже­ний путем отжига. Самым рациональным является правильное конструирование отливок. Рекомендации по конструированию известны. В основе этих рекомендаций лежит принцип одновре­менности затвердевания и равномерного остывания отливок. Од­нако выполнение этого принципа на стадии конструирования не всегда удается, поэтому необходимы дополнительные технологические мероприятия с целью уменьшения (выравнивания) пере­падов температур в отливке, например правильный подвод ме­талла, подбор смесей по теплофизическим свойствам, использо­вание холодильников, принудительное охлаждение сжатым воз­духом или водой, ранняя выбивка с последующим охлаждением в печи по заданному режиму.

По сравнению с другими мероприятиями принудительное ох­лаждение является управляемым процессом. Оно заключается в пропускании воздуха, воды, увлажненного воздуха по внутрен­ним каналам герметичной арматуры, чаще всего полых плит, или в принудительной фильтрации воздуха, воды в порах формовоч­ной смеси. В настоящее время принудительное охлаждение исполь­зуют в основном для сокращения технологического цикла произ­водства крупных отливок. Возможность регулировать охлаждение отливок имеется при литье в облицованные кокили, в которых можно изменять толщину облицовки.

Несмотря на внедрение технологических мероприятий, в гото­вых отливках всегда имеются остаточные напряжения. Для снятия напряжений отливки из серого чугуна подвергают отжигу. Для от­ливок из других сплавов в технологическим процессе, как прави­ло, предусматривается термическая обработка. При этом попутно в процессе нагрева и выдержки происходит снятие остаточных напряжений.

Снятие остаточных напряжений при отжиге и термической обработке происходит вследствие того, что при повышенной тем­пературе в напряженном металле происходят процессы релакса­ции и ползучести, которые при нормальной температуре и тех же напряжениях не развиваются или не имеют практического значе­ния. Температура, при которой начинаются эти процессы, для различных сплавов неодинакова, приблизительно она равна (0,25...0,35)tпл. Именно эта температура является нижней грани­цей интервала, в котором происходит так называемый переход из упругого состояния в пластическое. При назначении режима от­жига определяют два параметра: температуру нагрева и время вы­держки при этой температуре, причем чем выше температура, тем меньше выдержка.

Учитывая положения, вытекающие из рассмотрения кинетики напряжений и их снятия при отжиге, следует остановиться на вопросе, связанном с выравниванием температуры при воздей­ствии, особенно управляемом, на процесс охлаждения отливки. При выравнивании температур изменение их разности происхо­дит по кривой с наличием максимума, и в соответствии с рас­смотренной ранее кинетикой напряжений в момент полного вы­равнивания, когда бы он не наступил, в системе возникнут на­пряжения. Эти напряжения будут тем меньше, чем выше темпера­тура полного выравнивания, поскольку свойства металла зависят oт температуры. Величина остаточных напряжений будет зависеть от соотношения двух процессов — релаксации напряжений и их роста при понижении температуры отливки. Для более полного смятия напряжений к моменту перехода металла отливки из пла­стического состояния в упругое, т.е. моменту, когда процесс ре­лаксации будет протекать достаточно интенсивно, необходимо замедлить охлаждение отливки или дать выдержку.