Усадочные напряжения в отливках

σ _{лит =} σ _т σ _у σ _ф

Усадочные напряжения возникают в отливках, если их усадка в упругой области встречает сопротивление формы, то есть при неблагоприятной конфигурации отливки. Усадочные напряжения возникают в момент перехода отливки в упругое состояние и определяется деформациями, которые развиваются вследствиеторможения усадки со стороны формы.

σ _у = α _ТЕ∙ е_*; е_*–деформации, которые развиваются при t< t^*

σ _у = E∙ (ε _св – ε _отл)_* = Е[α _Т(t^* – t) – ε _отл]

Усадочные напряжения при понижении температуры отливки непрерывно увеличиваются и достигают максимума после полного остывания. В этой связи основным средством предупреждения усадочных напряжений является их ранняя выбивка при которой сопротивление формы полностью ликвидируются и, таким образом, усадочные напряжения носят только временный характер и не являются остаточными.

σ _у = е_уЕ; е = ε _св – ε _отл = μ _фε _св

Деформация в отливке количественно равна заторможенной части свободной усадки.

ε _св = α _Т∙ ∆ t; е_у = μ _фα _Т(t^* – t)

С уменьшением температуры увеличивается заторможенная усадка и возникают деформации.

Усадочные напряжения возникают в момент перехода в упругое состояние, если отливка имеет неблагоприятную конфигурацию.

(σ _у)_max = μ _фα _Т∙ t^*

Конечная величина усадочных напряжений определяется температурой перехода в упругое состояние и гибкостью формы.

В ряде случаев именно усадочные напряжения приводит к появлению трещин в отливках.

Один из важных средств предупреждения чрезмерной величины усадочных напряжений является ранняя выбивка отливок.

Чем выше температура выбивки, тем меньше усадочные напряжения на этот момент. Поэтому во всех случаях стремится увеличить температуру выбивки.

σ _y- σ _b– возникновение трещин

Увеличение температуры выбивки имеет естественные пределы, потому что после выбивки начинается охлаждение на воздухе, интенсивность которого выше чем в форме, при этом неравностенная отливка мешает получить временные термические напряжения опасные для ее прочности. Поэтому отливки с неравномерной толщиной стенок необходимо выбирать при умеренных температурах. Для отливок простой конфигурации температура выбивки может составить 650-700⁰C, следовательно, усадочные напряжения не возникают, а термические напряжения имеют незначительную величину. Для отливок сплошной конфигурации, разностенных снимают температуру выбивки до 400⁰C. 200⁰C если опасность термических напряжений велика.

Важным средством снятия усадочных напряжений является снижение жесткости формы. В частности переход от металлических форм к песчаным, использование песчаных стержней в металлических формах, применение сырых форм вместо сухих и т.д. Также для того, чтобы снять торможение формы используют разрыхление форм в середине процесса охлаждения (подрыв форм).

Усадочные напряжения всегда имеют только растягивающий характер, и усадочные напряжения не бывают остаточными (полностью сжимаются в момент извлечения отливки из формы).

Фазовые напряжения

Возникают в результате твердофазных превращений, протекающих после перехода металла в упругое состояние при неравномерном охлаждении отливки и получении неоднородной структуры.

Если фазовое превращение происходит при температуре большей, чем температура перехода в упругое состояние, тогда эти фазовые превращения не вызывает появление напряжений. В частности низкоуглеродистые стали имеют температуру превращения 720 ̊ С и для таких сплавов t^* составляет 615 – 650 ̊ С. Такие стали не склоны к возникновению фазовых напряжений. Однако легирование стали отличаются тем, что в них температура фазового превращения существенно снимается и может достигать нормальных температур. Тогда объемные изменения в металле при превращении способы вызвать значительные напряжения и трещины.

9.6. Механизм образования фазовых напряжений

Первый механизм связан с неравномерным охлаждением отливки и неодновременностью протекания превращений в различных частях.

Разовые превращения развиваются на этапах τ ₁–τ ₂ и τ ₃–τ ₄. Другие периоды не связаны с фазовыми превращениями. В первом периоде τ ₁ – τ ₂происходит дальнейшее охлаждение массивной части, в то время как в тонкой части происходит фазовое превращение с увеличение объема. В тонкой части это расширение встречает сопротивление центральной зоны, в результате наружные участки будут оказываться в сжатом состоянии, а осевая зона окажется в растянутом состоянии. В периоде τ ₃ – τ ₄происходит дальнейшее охлаждение наружных слоев, в то время как в осевой зоне развивается превращение с увеличением объема. Это увеличение объема встречает сопротивление наружных слоев, то центральные слои будут сжаты, а наружные растянуты. Во втором периоде деформации компенсируют деформацию первого периода, а затем вызывают появление конечного знака и величины напряжений. Поскольку с уменьшением температуры модуль упругости увеличивается, деформации и напряжения второго периода преобладают.

После завершения превращения внутренние слои оказываются сжатыми, а наружные слои растянуты.

Второй механизм образования фазовых напряжений связан с неоднородным характером продуктов превращения в различных частях в результате неравномерного охлаждения их, то есть неоднородным характером полученной структуры. По мере повышения скорости охлаждения продуктом распада А является феррит, перлит, сорбит, мартенсит и при этом объемный эффект превращения, связанный с разностью плотностей исходной и конечной фазы, увеличивается в том же направлении. Если отливка является разностенной и испытывает неравномерное охлаждение в различных частях, тогда те части, которые охлаждаются быстрее, претерпевают объемный эффект большей величины. В результате быстроохлаждающие части, имеющие больший объемный эффект превращения, оказываются сжатыми, потому что встречают сопротивление со стороны более медленно охлажденных участков, и наоборот – массивные участки, где объемный эффект меньше, окажутся в растянутом состоянии под влиянием большего объемного эффекта в тонких частях. Такой знак остаточных фазовых напряжений характерен для стальных отливок, склонных к закалке. Фазовые напряжения по такому механизму могут быть связаны с объемным эффектом графитизации.

Fe₃C→ 3Fe + C_гр (сопровождение увеличением объема)

Чем выше скорость охлаждения чугуна, тем выше устойчивость цемента и меньше развивающаяся степень графитизации. Поэтому фазовые превращения в массивных частях, которые охлаждаются медленно и дают повышенную степень графитизации будут носить сжимающий характер м, в свою очередь, будут вызывать растягивающие напряжения там, где скорость охлаждения выше, степень графитизации меньше или вовсе не происходит.

⇐ Предыдущая 10 11 12 13 14 15 16 17 1819