Т,К
9 0 0
8 0 0
7 0 0
à,%
V
0,2
Рис. 12.6. Запас пластичности А и условный запас пластичности ЗП (6), показатель горячеломкости ПГ (в) для сплавов Al с Si (а)
3. Статическая теория образования трещин в отливках
Образование трещин рассматривают в настоящее время с позиции двух теорий прочности: статической и кинетической. Кинетическая теория прочности еще недостаточно развита и пока еще не применяется для объяснения процесса образования трещин.
Со статической точки зрения условие образования трещин в отливках
выражается тремя равенствами (Б. А. Кулаков, Л. Г. |
Знаменский, |
В. М. Александров): |
|
o(t) = <7В(0; |
(12.11) |
£св(0“ ез(0= <М0 + ^пл(0; |
(12.12) |
Аус (0 = Азт(09 |
(12.13) |
где ôy и ôun - температурная зависимость предельных |
значений упругой и |
пластической деформаций; АуС и Азт - температурная |
зависимость энергии |
деформации, обусловленной затрудненной усадкой, и зарождения трещины. |
|
Наиболее полным условием является выражение (12.13), учитывающее в комплексе (12.11) и (12.12). Однако условия (12.12) и (12.13) в настоящее время разработаны еще недостаточно в связи с отсутствием экспериментальных
значений свойств литейных сплавов, поэтому для анализа вероятности образования трещин используется только выражение (12.11).
Из выражения (12.11) следует, что трещины возникают при условии, когда напряжения достигают предела прочности материала при данной температуре. Это значит, что процесс возникновения и развития трещин в отливках зависит не от абсолютных значений прочности и напряжений, а от их соотношений. В отливке с меньшим уровнем напряжений может образоваться трещина вследствие низкой прочности материала в данный момент, а в отливке с большим уровнем напряжений - нет. Поэтому необходимо рассмотреть основные закономерности изменения прочности и пластичности сплавов в период формирования отливок.
Механические свойства литейных сплавов с момента возникновения напряжений в отливках, часто совпадающего с температурой начала усадки, изменяются в широких пределах. К сожалению, этому вопросу уделяется мало внимания, и поэтому сведения, которые должны быть справочными, недостаточны.
В связи с этим рассматриваются только общие закономерности, полученные на обобщении экспериментальных результатов нескольких марок стали и силумина.
На рис. 12.7 показана схема изменения прочности (7) и удлинения (2) стали в зависимости от температуры. В области высоких температур значения этих показателей минимальные. Резкое повышение их (особенно пластичности) совпадает с температурой солидуса (а точнее, с исчезновением жидкости между кристаллами). Поэтому интервал /„.y- fc, показанный на рис. 12.8, носит название температурного интервала хрупкости. Прочность сталей 25Л, ЗОХНМФЛ и 110Г13Л в этом интервале составляет соответственно 0,3; 0,7 и 1,1 МПа, а относительное удлинение около 1 %, тогда как при температуре несколько ниже tc оно возрастает до 200-300 %.
Т е м п е р а т у р а |
|
Рис. 12.7. Схема изменения прочно |
Рис. 12.8. Схема изменения прочности (/) |
сти (/) и удлинения (2) стали при |
и пластичности (2) в ТИХ |
охлаждении в периоды I, II, III и IV |
|
Установлено, что прочность стали в интервале хрупкости зависит от таких примесей, как S, Р и 0 2, которые понижают поверхностное натяжение жидкой прослойки и температуру ее затвердевания tc. В связи с этим многие
исследователи считают, что горячие трещины могут образовываться только в ТИХ. Однако внешний вид нередко встречающихся горячих трещин вызывает сомнение в справедливости этого утверждения. На это указывает также факт охрупчивания однородных сплавов с узким интервалом кристаллизации вблизи, но ниже гс, когда появляется вторичная сетка полигональных границ как следствие возникновения стенок дислокаций под действием усадочных и термических напряжений.
Здесь необходимо вспомнить упоминавшийся термин - эффективный интервал кристаллизации, введенный А. А. Бочваром, чтобы акцентировать внимание на важности этого периода, совпадающего и характеризующего процесс окончания кристаллизации с позиций возникновения напряжений и уровня механических свойств.
Неблагоприятное влияние на комплекс механических свойств в этом температурном интервале оказывают такие дефекты структуры, как неметаллические включения (особенно в виде пленок), усадочные и газовые раковины. Установлено также, что поверхностная прочность сплавов связана с газовой средой, особенно при высоких температурах, когда происходит интенсивное взаимодействие металлов с активными газами (эффект Ребиндера).
Таким образом, прочность и пластичность сплавов в температурном интервале формирования отливок (от /„.у до температуры окружающей среды) зависят от температуры, химического состава сплава, наличия, формы и расположения неметаллических включений и других дефектов структуры отливок, а также газовой среды. Все это приводит к неравномерности прочности в отдельных участках отливки, находящейся в напряженном состоянии. В один и тот же момент в разных участках (сечениях) отливки прочность может отличаться в сотни и тысячи раз, что приводит к неравномерности деформаций и к разрушению (образованию трещин).
Из вышеизложенного следует, что образование трещин в отливках является весьма сложным и многофакторым процессом. Для его анализа в каждом конкретном случае с целью создания необходимых условий формирования отливки успех может быть достигнут только в том случае, если будут учтены все факторы. Это вызывает необходимость четкой классификации известных факторов.
На основе изложенной теории образования трещин как процесса разрушения материала в специфических условиях факторы подразделяются на две группы:
факторы, связанные с возникновением и развитием напряжений в
отливке;
факторы, которые влияют на формирование механических свойств (прочности и пластичности) в различных частях (элементах) отливок.
Однако такая классификация недостаточна, так как не связывает факторы с технологическими параметрами. Поэтому множество факторов, влияющих на уровень напряжений и механических свойств сплавов в период формирования, которые при определенных сочетаниях приводят к возникновению и развитию трещин, по технологическому признаку подразделяются на три группы:
факторы, обусловленные природой сплава, в том числе технологией выплавки;
факторы, связанные со своеобразием конструкции отливки; факторы, заложенные в технологии литейной формы.
Первая группа факторов характеризует трещиноустойчивость сплава, вторая - технологичность отливок, а третья - качество технологии, а точнее, соответствие технологии, особенностям конструкции отливки и свойствам сплава. Из этого следует, что технология отливки разрабатывается с учетом трещиноустойчивости сплава и конструкции отливки.
Склонность сплавов к хрупкому межкристаллитному разрушению в ТИХ принято (Г. Ф. Баландин, В. М. Александров и др.) называть горячеломкостью. Обратную характеристику, т. е. сопротивляемость сплавов образованию
трещин, называют трещиноустойчивостью. |
|
|
||
Существует |
большое |
количество |
методов |
определения |
трещиноустойчивости сплавов и соответствующих им единиц измерения. Наибольшее распространение получили методы заливки проб, в которых в качестве показателей трещиноустойчивости приняты наличие, величина, количество и раскрытие трещин в отдельных элементах проб, а также параметры самой пробы (длина, диаметр утолщения и нагрузка, вызывающая образование трещин). Предлагались расчетные методы определения трещиноустойчивости, базирующиеся на величинах усадки, деформационной способности, прочности и напряжениях. Однако, несмотря на существенные преимущества, расчетные методы не получили применения.
Поиски приемлемых и надежных методов привели к новым показателям
(Г. Ф. Баландин и др.), которые по сути выражают запас |
технологической |
||||
прочности |
(<тB/ff0), |
запас деформационной |
способности 4 |
+<?плл |
и запас |
|
|
|
|
^св |
|
|
( |
|
|
|
|
энергии |
^з.т |
основанные на трех |
условиях ооразования |
трещин, |
|
V^УС
выраженных равенствами (12.11)-(12.13). По упомянутой причине здесь рассматривается трещиноустойчивость только как запас технологической прочности.
В процессе формирования отливки трещиноустойчивость изменяется в зависимости от температуры и скорости охлаждения в соответствии с