применяются технологические пробы. Наиболее распространенные виды таких проб представлены на рис. 11.26. Все пробы основаны на том, что при охлаждении в их определенных частях возникают остаточные напряжения, которые после разрезки реализуются в виде деформаций. Измеряя деформации, можно определить величину напряжений, действовавших до резки.
Рис. 11.26. Виды проб для оп ределения остаточны х напряжений
Типичной пробой является рамка (рис. 11.26, а), состоящая из двух тонких брусков сечениями 10x15 мм и одного толстого сечением 20x20 мм, связанных перекладинами в жесткую конструкцию. Вследствие того что тонкие бруски охлаждаются быстрее, чем толстые, и усадка происходит больше, в них возникают растягивающие напряжения, а в толстых - сжимающие. Первоначально это вызывает в брусках упругие, а затем пластические деформации. После полного охлаждения температура тонких и толстого брусков выравнивается. Достигнутые пластические сжимающие деформации в толстом и растягивающие в тонких брусках не дают им возможность вернуться к первоначальным размерам. В результате в толстом бруске образуются растягивающие, а в тонких - сжимающие остаточные напряжения. После охлаждения на среднем толстом бруске делают две отметки, расстояние между которыми измеряется. Далее между отметками брусок разрезается. В результате остаточных растягивающих напряжений концы толстого бруска после разрезки расходятся. Измеряя расстояние между отметками и после разрезания, можно определить заторможенную упругую деформацию. Зная модуль упругости и размеры пробы, по деформации можно вычислить остаточное напряжение. Вместо рамки для пробы можно использовать скобу с перемычкой (рис. 11.26, б).
Внутренние временные напряжения, возникающие при охлаждении отливки, делятся на усадочные, фазовые и термические.
Усадочные напряжения. Они вызываются механическим торможением со стороны формы при высоких температурах. В отливках из железных сплавов от температур ниже солидуса до 700 °С они компенсируются пластическими
деформациями. Ниже 700 °С, ввиду возрастания упругости, они начинают накапливаться и достигают максимума при температуре около 200 °С, т. е. перед выбивкой. После извлечения из формы они обычно сжимаются. Особенно большое развитие усадочные напряжения получают при литье в металлические формы.
Для усадочных напряжений в бруске с фланцами можно написать |
|
|
сг= (XrE (TQ- 7), |
(11.118) |
|
где Г0 - исходная температура, которую |
условно можно относить |
к точке |
перехода из плоской зоны в другую; Г - |
температура, до которой |
брусок |
охладился. |
|
|
Величины От и Е можно принимать как средние значения коэффициента |
||
усадки и модуля упругости в интервале Г0 - |
Г. |
|
Если считать, что пластическая деформация и податливость формы |
||
оцениваются относительно величиной AL/L (где L - длина бруска), то |
|
|
а = Е « r f o - r ) ~ |
(11.119) |
|
Если принять для стали а = 12*10"6, Е = 2-106 кгс/см2 и Г0 - Г = 700 °С, то при AL = 0 получим для напряжения довольно большую величину <т=168 кг/мм2 Если деформация AL составит хотя бы 0,5 % или 0,05, то напряжение
снизится до 68 кг/мм2.
Механическое торможение усадки возникает в отливках, имеющих внутренние полости и выступающие части (рис. 11.27), так как сокращение наружных размеров отливок встречает сопротивление формы.
Р ис. 1 12 1 . С оп р оти вл ен и е усадк е |
отливки в резул ьтате |
д еф ор м ац и и ф орм ы на вели чи ну /„ - |
/к |
В зависимости от материала формы (песчаная смесь, металлический кокиль и т. д.) это сопротивление приближенно характеризуют коэффициентом жесткости ц: для абсолютно податливых форм ц = 0, для абсолютно жестких fi = 1, а в общем случае 0 < // < 1. Способность формы к деформированию под влиянием усилий, развиваемых отливкой при усадке, обратная ее жесткости
определяет действительную усадку отливки еотл в отличие от свободной усадки есв, которую можно получить только в абсолютно податливой форме:
Ёотл = £ с в ( 1 |
- / 0 * |
( 1 1 . 1 2 0 ) |
Нереализованная усадка металла, подавленная сопротивлением формы, |
||
является деформацией отливки е: |
|
|
£ — £'св — ^ОТЛ “ |
/* ^СВ* |
( 1 1 . 1 2 1 ) |
Вподатливых формах (ц « 0) деформация отливки минимальна (е « 0), в жестких формах (// « 1) деформация численно равна нереализованной (потенциально возможной) свободной усадке е « £св.
Вобласти высоких температур, когда металл находится в пластическом состоянии, деформации е, превышающие предельную пластичность материала 3, вызывают появление трещин, называемых горячими, или кристаллизационными. Это связано с тем, что в температурном интервале кристаллизации /л-гс, когда дендритные кристаллы 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 3,
е =1леСъ> 3, |
(11.122) |
итогда образуется горячая трещина.
Вобласти низких температур, когда металл переходит в упругое состояние, деформации, вызванные торможением усадки, способствуют
появлению так называемых усадочных напряжений: ау= еЕ =(ieCBЕ = ar{iE(t*~ t\ где Е - модуль упругости; t - текущая температура; £св - потенциальная свободная усадка отливки с момента условного перехода металла из чисто пластического в идеально упругое состояние при температуре /*. По мере понижения температуры отливки усадочные напряжения ay(t) нарастают и достигают максимума после полного охлаждения (/ = tK= 0):
(<7у)т*с= аТ//Ег*. |
(11.123) |
Если величина <ту(/) в какой-то момент превысит предел прочности <тв, произойдет разрушение и образуется так называемая холодная трещина.
Для уменьшения ау в отливках сложной конфигурации, испытывающих значительное механическое торможение усадки, важно не только снижать жесткость формы //, но также извлекать отливку из формы при такой температуре выбивки tDyкогда оуне достигает сгв, то есть
tn > t* ------(11.124) «т/'£
Очевидно, что усадочные напряжения не возникают, если выбивку производить при /в > Г*, однако при этом могут достигать опасной величины термические напряжения, поэтому необходимо выдерживать отливки в форме до некоторой оптимальной температуры.
Фазовые напряжения. Они вызываются выделением или исчезновением различных фаз или структурных составляющих при охлаждении отливки, имеющей удельный объем, отличный от матрицы.
При различных скоростях охлаждения и в различных частях отливок фазовые превращения протекают в разное время. Это и вызывает фазовые напряжения в отливке в целом.
При медленном охлаждении стальной отливки распад аустенита с образованием перлита происходит при более высоких температурах. Происходящее при этом увеличение удельного объема может компенсироваться пластическими деформациями. При более быстром охлаждении повреждение будет происходить при более низких температурах в упругой зоне и может вызвать ощутимые напряжения. При еще более быстром охлаждении (закалке) образуется мартенсит, обладающий значительной разницей удельных объемов в сравнении с аустенитом. Если мартенсит в поверхностном слое образуется, а в средней части нет, то это вызовет растягивающее напряжение в центре и сжимающее на поверхности.
В случае чугунных отливок выделение графита будет происходить в массивных частях с существенным возрастанием удельного объема. При этом растягивающие напряжения возникнут в поверхностном слое, а сжимающие - в середине сечения.
Термические (температурные) напряжения. Они вызываются различной скоростью охлаждения и неравномерным протеканием усадочных процессов в различных частях отливки. Эти напряжения обычно имеют наибольшую величину.
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 зависимости от изменения температуры обе части отливки сокращают свои размеры на величину (£CB)L 2 = ат М . 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: (е0Тл)1. = (^св)к 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:
^1,2 —(^CB)I.2 —£огл* |
(11. 125) |
В областях высоких температур (t > /*) деформации носят пластический характер и не приводят к появлению напряжений (Е « 0), хотя и вызывают снижение свойств металла в результате образования большого числа