Напряжения в отливках. Виды напряжения. Меры предупреждения напряжений.

Различия в размерах тепло­вых узлов вызывают либо появление напряжений в отливке, либо их де­формацию - коробление. Коробление отливок возни­кает в результате неравномерного охлаждения и усадки ее элемен­тов, переходящей в пластические деформации. Неравномерность охлаждения вызывается различ­ными размерами сечений или раз­личными условиями отвода теплоты от элементов отливки, образующих единую связанную систему.

Виды напряжений. В процессе формирования отливки и охлаж­дения до температуры окружающей среды в ней возникает сложное на­пряженное состояние. По физической природе и размерам области уравновешивания различают напряжения I рода - зональные напряже­ния, возникающие в макрообъемах, с градиентом по всей отливке или отдельным частям ее; напряжения II рода - в макрообъемах, в пределах микрозерна или группы зерен; напряжения III рода - в субмикроскопи­ческих областях, в пределах кристаллической решетки.

По источнику происхождения напряжения подразделяют на уса­дочные (возникающие в результате сопротивления усадке металла со стороны формы и стержней); термические (возникающие за счет гради­ента температур по сечению отливки и неравномерного или неодновре­менного сжатия (расширения) отдельных частей отливки, слоев струк­турных зон); фазовые (возникающие в результате различия удельных объемов фаз при фазовых превращениях). Независимо от источника происхождения все эти напряжения алгебраически складываются, и их результирующее воздействие зависит от соотношения суммарного напряжения и механических свойств сплава.

Усадочные напряжения всегда растягивающие. Их величина за­висит от сопротивления формы и стержней. По размерам области урав­новешивания — это в основном напряжения I рода. При высоких темпе­ратурах происходит релаксация усадочных напряжений вследствие пла­стической деформации. С переходом сплава в упругое состояние на­пряжения накапливаются и достигают максимума к моменту выбивки отливки из формы: после выбивки напряжения частично снимаются.

Механическое торможение усадки возникает в отливках, имею­щих внутренние полости и выступающие части, так как со­кращение наружных размеров отливок встречает сопротивление формы. В зависимости от материала формы (песчаная смесь, металлический ко­киль и т.д.) это сопротивление приближенно характеризуют коэффициентом жесткости и для абсолютно податливых форм =0, для абсо­лютно жестких = 1, в общем случае 0 <  < 1. В области низких температур, когда металл переходит в упругое состояние, деформации, вызванные торможением усадки, способствуют появлению так называемых усадочных напряжений

Термическое торможение усадки возникает в результате взаим­ных деформаций при неравномерном охлаждении различных частей от­ливки сложной конфигурации. Массивные и тонкие части отливки затвердевают не одновременно и охлаждаются с различной скоростью, в результате чего между ними возникают перепады темпера­тур, величина которых сначала возрастает, достигает максимума, а за­тем снижается до нуля при полном охлаждении отливки. В области высоких температур деформации носят пласти­ческий характер и не приводят к появлению напряжений (Е = 0), хотя и вызывают снижение свойств металла в результате образования большо­го числа дислокаций в структуре. После перехода всей отливки в упру­гое состояние возникающие деформации приводят к появлению термических напряжений.

Фазовые напряжения в наибольшей степени зависят от свойств сплава (точнее, от свойств фаз и структурных составляющих). Возник­новение и уровень напряжений определяется: 1) различием удельных объемов фаз; 2) упругими и пластическими свойствами матрицы сплава (то есть основной структурной составляющей); 3) последовательностью протекания фазового превращения в объеме отливки (из-за наличия гра­диента температур фазовые превращения протекают, как правило, не одновременно).

  Снятие напряжений. Для снятия напряжений обычно исполь­зуют термическую обработку различных видов. При отжиге I рода тем­пература нагрева не связана с температурой фазовых превращений. От­жиг стальных и чугунных отливок обычно производится при темпера­туре 450-650 °С в течение 2-10 ч. Отливки из алюминиевых сплавов отжигают при 250-350 °С. С повышением температуры нагрева ско­рость релаксации напряжений резко возрастает, и, следовательно, со­кращается необходимая длительность отжига. Отжиг II рода связан с фазовой перекристаллизацией сплава, поэтому он наиболее полно сни­мает напряжения в отливках и одновременно исправляет крупнозерни­стую и зернистую структуру в сталях и некоторых сплавах.

Крупногабаритные чугунные отливки (базовые детали станков и т.п.) для частичного снятия остаточных напряжений и предотвращения ко­робления иногда подвергаются длительному вылеживаю в течение не­скольких месяцев при температуре окружающей среды. Этот процесс обычно называют естественным старением.

Усадочные, фазовые и термические напряжения в отливках. Влияние состава сплава и технологических факторов на развитие внутренних напряжений в отливках. Остаточные напряжения и меры по их снижению (диаграмма, графики)

Большое значение имеет температура, при которой происходит фазовое превращение, так как с повышением температуры свойства матрицы и избыточных фаз сильно изменяются: снижается прочность и повышается пластичность. Поэтому при высокотемпературных превра­щениях, даже в случае большого различия удельных объемов фаз, про­исходит релаксация напряжений в результате микропластических сдви­гов и не возникает больших остаточных напряжений. Превращения при температурах в зоне упругости сплава и пониженной пластичности вы­зывают большие временные напряжения, релаксация которых может осуществляться только путем микроразрушений - образования микро­трещин. Наиболее опасны с этой точки зрения фазовые превращения в высоколегированных сталях с мартенситной матрицей, в отбеленных чугунах с ледебуритной матрицей и в жаропрочных сплавах, содержа­щих большое количество интерметаллидов.

По источнику происхождения напряжения подразделяют на усадочные – возникающие в результате сопротивления усадке металла со стороны формы и стержней; термические – возникающие за счет градиента температур по сечению отливки и неравномерного или неодновременного сжатия (расширения) отдельных частей отливки, слоев структурных зон; фазовые – возникающие в результате различия удельных объемов фаз при фазовых превращениях. Независимо от источника происхождения все эти напряжения алгебраически складываются, и их результирующее воздействие зависит от соотношения суммарного напряжения и механических свойств сплава.

Усадочные напряжения всегда растягивающие. Их величина зависит от сопротивления формы и стержней. По размерам области уравновешивания – это в основном напряжения I рода. При высоких температурах происходит релаксация усадочных напряжений вследствие пластической деформации. С переходом сплава в упругое состояние напряжения накапливаются и достигаются максимума к моменту выбивки отливки из формы: после выбивки напряжения частично снимаются.

Механическое торможение усадки возникает в отливках, имеющих внутренние полости и выступающие части, так как сокращение наружных размеров отливок встречает сопротивление формы. В зависимости от материала формы (песчаная смесь, металлический кокиль и т.д.) это сопротивление приближенно характеризуют коэффициентом жесткости μ: для абсолютно податливых форм μ = 0, для абсолютно жестких μ = 1, в общем случае 0 < μ < 1. Способность формы к деформированию под влиянием усилий, развиваемых отливкой при усадке, обратная ее жесткости, определяет действительную усадку отливки ε_отл в отличие от свободной усадки ε_св, которую можно получить только в абсолютно податливой форме: .  

Нереализованная усадка металла, подавленная сопротивлением формы, является деформацией отливки е: .

В податливых формах (μ ≈ 0) деформация отливки минимальна (е ≈ 0), в жестких формах (μ ≈ 1) деформация численно равна нереализованной (потенциально возможной) свободной усадке е ≈ ε_св.

В области высоких температур, когда металл находится в пластическом состоянии, деформации е, превышающие предельную пластичность материала δ, вызывают появление трещин, называемых горячими, или кристаллизационными. Это связано с тем, что в температурном интервале кристаллизации t_л-t_с, когда дендритные кристаллиты частично разделены прослойками жидкой фазы, пластичность металла резко снижается до 0,1-0,5 %; при этом даже незначительное торможение линейной усадки способно вызвать появление деформаций е, превышающих пластичность δ: , и тогда образуется горячая трещина.

В области низких температур, когда металл переходит в упругое состояние, деформации. Вызванные торможением усадки, способствуют появлению так называемых усадочных напряжений σ_у = еЕ = με_св*Е = α_тμЕ(t* – t), где Е – модуль упругости, t – текущая температура, ε_св* – потенциальная свободная усадка отливки с момента условного перехода металла из чисто пластического в идеально упругое состояние при температуре t*. По мере понижения температуры отливки усадочные напряжения σ_у(t) нарастают и достигают максимума после полного охлаждения (t = t_к ≈ 0): .

Если величина σ_у(t) в какой-то момент превысит предел прочности σ_в, произойдет разрушение, и образуется так называемая холодная трещина.

Для уменьшения σ_у в отливках сложной конфигурации, испытывающих значительное механическое торможение усадки, важно не только снижать жесткость формы μ, но также извлекать отливку из формы при такой температуре выбивки t_в, когда σ_у не достигает σ_в, то есть .

Очевидно, что усадочные напряжения не возникают, если выбивку производить при t_в > t*, однако при этом могут достигать опасной величины термические напряжения, поэтому необходимо выдерживать отливки в форме до некоторой оптимальной температуры.

Термическое торможение усадки возникает в результате взаимных деформаций при неравномерном охлаждении различных частей отливки сложной конфигурации (рис.2,в). Массивные и тонкие части отливки затвердевают не одновременно и охлаждаются с различной скоростью, в результате чего между ними возникают перепады температур, величина которых сначала возрастает, достигает максимума, а затем снижается до нуля при полном охлаждении отливки. В зависимости от изменения температуры обе части отливки сокращают свои размеры на величину (ε_св)_1,2 = α_тΔt_1,2, где индексы 1 и 2 относятся к тонкой и массивной частям соответственно. Если бы они были не связаны и их усадка не зависела друг от друга, тогда она была бы равна свободной: (ε_отл)_1,2 = (ε_св)_1,2. В связанной системе более интенсивное сокращение размеров одной части вызывает деформации сжатия в другой и, наоборот, приводит к появлению деформаций растяжения в первой. Эти деформации равны разнице между потенциальной свободной усадкой и действительной усадкой отливки как единого целого:  (1).

Рис.2. Изменение температуры (а) и усадки (б) тонкого (1) и массивного (2) брусков при охлаждении отливки сложного сечения (в)

В области высоких температур (t > t*) деформации носят пластический характер и не приводят к появлению напряжений (Е ≈ 0), хотя и вызывают снижение свойств металла в результате образования большого числа дислокаций в структуре. После перехода всей отливки в упругое состояние (с момента τ* на рис.2,а, когда t₂ < t*) возникающие деформации приводят к появлению термических напряжений (σ_т)_1,2 = Ее_1,2. С момента τ* до полного остывания массивная часть отливки, охлаждаясь от t₂*, получит большую свободную усадку (ε_св)₂ = α_тt₂*, чем тонкая (ε_св)₁ = α_тt₁ (рис.2,б), поэтому после полного охлаждения массивная часть будет согласно (1) растянута на величину е₂ = α_тt₂* – ε_отл, так как усадка отливки за тот же период ε_отл < (ε_св)₂. Соответственно тонкая часть при остывании от более низкой температуры t₁* будет сжата на величину -е₁ = α_тt₁* – ε_отл, так как ε_отл > (ε_св)₁. Выражая ε_отл через среднюю температуру в момент τ*: , где f₁, f₂ – сечения тонкого и массивного элементов, получим после несложных преобразований:  (2), где Δt* = t₂* – t₁* – перепад температур в отливке в момент τ*.

Таким образом, термические напряжения возникают в момент условного перехода отливки в упругое состояние, возрастают по мере охлаждения и достигают максимального значения (2) после полного выравнивания температур. Величина σ_т определяется перепадом температур Δt*, то есть неравномерностью охлаждения различных частей отливки, а распределение напряжений зависит от соотношения площадей их сечения f₁ и f₂. Отливки из материала с большим модулем упругости Е имеют более высокий уровень остаточных напряжений.

Уменьшение теплопроводности сплава увеличивает градиент температура по сечению отливки и, следовательно, уровень напряжений I рода. Очевидно также влияние температурного коэффициента линейного расширения α_т на уровень напряжений I рода. В результате α_т структурных составляющих могут возникать также термические напряжения II рода. Анализ процесса возникновения термических напряжений показывает, 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.

Фазовые напряжения в наибольшей степени зависят от свойств сплава (точнее, от свойств фаз и структурных составляющих). Возникновение и уровень напряжений определяется: 1) различием удельных объемов фаз; 2) упругими и пластическими свойствами матрицы сплава (то есть основной структурной составляющей); 3) последовательностью протекания фазового превращения в объеме отливки (из-за наличия градиента температур фазовые превращения протекают, как правило, не одновременно). Из сказанного, очевидно, что по размерам области уравновешивания это напряжения I и II рода.

Большое значение имеет температура, при которой происходит фазовое превращение, так как с повышением температуры свойства матрицы и избыточных фаз сильно изменяются: снижается прочность и повышается пластичность. Поэтому при высокотемпературных превращениях, даже в случае большого различия удельных объемов фаз, происходит релаксация напряжений в результате микропластических сдвигов и не возникает больших остаточных напряжений. Превращения при температурах в зоне упругости сплава и пониженной пластичности вызывают больших временные напряжения, релаксация которых может осуществляться только путем микроразрушений – образования микротрещин. Наиболее опасны с этой точки зрения фазовые превращения в высоколегированных сталях с мартенситной матрицей, в отбеленных чугунах с ледебуритной матрице и в жаропрочных сплавах, содержащих большое количество интерметаллидов.

Снятие напряжений. Для снятия напряжений обычно используют термическую обработку различных видов. При отжиге I рода температура нагрева не связана с температурой фазовых превращений. Отжиг стальных и чугунных отливок обычно производится при температуре 450-650 ˚C в течение 2-10 ч. Отливки из алюминиевых сплавов отжигают при 250-350 ˚C. С повышением температуры нагрева скорость релаксации напряжений резко возрастает, и, следовательно, сокращается необходимая длительность отжига. Отжиг II рода связан с фазовой перекристаллизацией сплава, поэтому он наиболее полно снимает напряжения в отливках и одновременно исправляет крупнозернистую зернистую структуру в сталях и некоторых сплавах.

Крупногабаритные чугунные отливки (базовые детали станков и т.п.) для частичного снятия остаточных напряжений и предотвращения коробления иногда подвергаются длительному вылеживаю с течение нескольких месяцев при температуре окружающей среды. Этот процесс обычно называют естественным старением, что не соответствует технологии, принятой в металловедении.