 |
Горячие трещины, их происхождение и меры предупреждения
|
|
|
|
История развития научных исследований по причинам образования, развития и предотвращения горячих трещин в отливках
Введение
Современные темпы развития машиностроения и других отраслей, связанных с производством сложных конструкций работающих в различных условиях, требует от материалов предсказуемого поведения и максимальной долговечности. Данными вопросами занимается множество наук, одной из которых является материаловедение.
Материаловедение - обширная область знаний, наука, которая, базируясь на основных положениях физики твёрдого тела, физической химии и электрохимии, исследует и направленно использует взаимосвязь структуры и свойств для улучшения свойств применяемых материалов или для создания новых материалов с заданными свойствами. Главное в материаловедении - это научно обоснованное предсказание поведения применяемых в технике материалов. Рассмотрим развитие научных исследований в таком направлении материаловедения, которое тесно связано с литейным делом. Это направление изучения поведения материалов в твердо-жидком состоянии, а также проблемы возникновения, развития и способов устранения горячих трещин в отливках.
Значимость изучения горячих трещин
Материаловедение - это одна из старейших форм прикладной науки, прошедшая вместе с человечеством долгий путь, от примитивной обработки камня и изготовления простейшей керамики, и заканчивая современными сверхпопулярными нанотехнологиями.
Основная задача материаловедения - установить зависимость между составом, строением и свойствами, изучить термическую, химико-термическую обработку и другие способы упрочнения, сформировать знания о свойствах основных разновидностей материалов. Материаловедение очень тесно связано с металлургией и литейным делом, поэтому изучение проблем связанных с появлением и распространением горячих трещин в отливках, есть вопрос комплексный.
|
|
|
Как только человечество стало заниматься заливкой металла в формы, то неизбежно стали появляться дефекты отливок. На ранних этапах развития металлургии и литейного дела изучением проблемы возникновения дефектов мало кто занимался или сведения об исследованиях не сохранились, поэтому обратим свое внимание на исследование проблемы горячих трещин в 19-20 веках.
В XX веке разрабатываются и бурно развиваются новые технологические процессы: непрерывная разливка стали и Кислородно-конвертерный процесс, электрометаллургия стали и ферросплавов; вакуумная металлургия; электросварка; термомеханическая обработка металлов и многие другие.
Начиная с момента ускоренного развития металлургии, возникает множество вопросов связанных с поведением материалов в твердожидком состоянии и возникновении дефектов, которые требуют детального изучения и научного обоснования. Широкое развитие литейного дела позволяет получать сложные фасонные отливки, но наряду с этим возникает множество проблем связанных с возникновением дефектов и происхождения брака отливок. Одним из серьезнейших дефектов в литейном деле является горячие трещины, так как образование их идет в переходном состоянии металла и не может быть каким либо образом контролироваться напрямую.
Благодаря фундаментальным исследованиям в области металловедения быстро растет количество информации о сплавах, обладающих специфическими свойствами, влияющими на способность металлов сопротивляться образованию в них горячих трещин при заливке и сварке.
Вследствие выросшему объему знаний, о причинах возникновения, характеру распространения и возможным методам устранения дефектов, а также придание тем или иным сплавам специфических свойств, стало возможно развитие новых направлений и модернизация старых теорий в научных исследованиях. Исключением не стало такое важное направление в материаловедении и литейном деле, как проблема возникновения горячих трещин в отливках.
|
|
|
Развитие исследований горячих трещин отечественными учеными
трещина деформация отливка напряжение
Огромный вклад в развитие литейного дела и материаловедения внесли российские ученые, начиная с момента развития в Древней Руси кузнечного дела, также с момента появления первых печей (доминиц) для восстановления железа из его окислов и заканчивая созданием современных наноразмерных материалов. Развитие металлургии и литейного дела происходит и в настоящее время. Не осталась без внимания такая важная проблема как появление в отливках горячих трещин, где отечественными учеными было предложено множество идей и теорий. Рассмотрим развитие исследований в этом направлении в период 19-20 веков.
Горячие трещины, их происхождение и меры предупреждения
Трещины в стальных отливках, стыки которых в свежем изломе покрыты слоем темных окислов железа, называют горячими, вследствие образования их при высоких температурах. Они могут проявляться на поверхности отливки в виде надрывов. По горячие трещины могут образоваться внутри отливки. В этом случае они скрыты и невидимы снаружи.
Трещины могут возникать и при сравнительно низких температурах. Стенки их в свежем изломе характеризуются кристаллическим блеском. Такие трещины называют холодными. Но эта классификация, основанная на визуальной оценке внешнего вида стенки полости трещины, не вскрывает сущности причин их образования.
Первые теоретические исследования причин образования горячих трещин в стальных отливках относятся к 20-м годам 19-го века. В них были установлены только первоначальные понятия о механизме явления, не вскрывшие, однако, физической сущности трещинообразования. Несколько позднее были сделаны первые попытки выяснить с помощью измерительного прибора величины опасных напряжений, возникающих от стесненной усадки.
|
|
|
А.А. Бочвар в 1942 году утверждал, что усадка металла начинается с момента образования сплошного скелета твердой фазы в кристаллизующейся жидкости. Но так какв и рассматриваемый момент времени после заливки формы усадка уже началась, то, очевидно, в тот же момент в затвердевшем слое станут возникать как силы сопротивления, так и напряжения.
На этом основании кинетика образования трещин от затрудненной усадки сопровождается двумя процессами, протекающими параллельно: во-первых, возрастанием механической нагрузки, приложенной извне, со стороны неподатливой, жесткой формы, по мере охлаждения отливки и развития усадки и, во-вторых, увеличением толщины твердого слоя отливки и его прочности в ходе кристаллизации. Когда напряжение превзойдет прочность корки, она разорвется и в отливке возникнет трещина.
Трещина от затрудненной усадки может образоваться в самом тонком месте корки, т.е. в той части отливки, где кристаллизация запаздывает, например вблизи питателей, особенно если их подводят в утолщения, чтобы улучшить четкость направленности кристаллизации.
Исследование излома отливки по трещине показывает, что металл разрушается по границам зерен, так как, по-видимому, прочность вещества, связующего зерна, меньше прочности металла в интервале температур твердо-жидкого состояния.
Горячие трещины в отливках одним из первых начал изучим. А.С. Лавров [1]. В его работах указываются почти все известные сейчас средства борьбы с трещинами. Однако работы по их изучению в отливках из различных металлов и сплавов продолжаются до настоящего времени.
Ю.А. Нехендзи [7] полагал, что трещины в отливках образуются при температуре ниже температуры солидус, т.е. уже после окончания затвердевания стали и главным образом в интервале 1450-1250°. Б. Озанн (Германия) считает, что горячие трещины могут возникнуть даже при 600°. Подобное расхождение в интерпретации причин возникновения горячих трещин, по нашему мнению, можно объяснить одновременным влиянием нескольких факторов, т.е. причин чисто литейных (усадки и неподатливости формы, величины и качества корки) и тепловых или термических причин (перепада температур внутри объема отливки, охлаждающейся в форме).
|
|
|
Трещины подобного рода могут возникать и действительно возникают в широком интервале температур и их можно называть термическими трещинами в отличие от литейных трещин, зависящих от механического воздействия литейной формы на металл отливки.
Принципиальные основы теории технологической прочности сплавов наиболее полно изложены в статье А.А. Бочавара, Н.Н. Рыкалина, Н.Н. Прохорова, И.И. Новикова и Б.А. Мовчана, которая называлась «К вопросу о горячих (кристаллизационных) трещинах при литье и сварке» опубликованная в 1960 г. [12]. Впервые эта теория предложена Н.Н. Прохоровым в 1952 г. и получила впоследствии широкое распространение [11].
Логическое обоснование теории весьма просто. Деформационная способность сплава в твердо-жидком состоянии обусловлена в основном циркуляцией расплава между кристаллами, возникающей при растяжении затвердевающей отливки. Поэтому ее можно зафиксировать главным образом в виде пластической деформации.
Дальнейшее усовершенствование теории предложил И.И. Новиков в 1963 г. Он предложил оценить условный запас пластичности сплавов (ЗП). По И.И. Новикову, ЗП лучше согласуется с данными технологических проб на горячеломкость сплавов. Например, для сплава Al с 2% Si, ЗП=18%, а для сплава Al с 2% Si и 4,0% Cu, обладающего меньшей горячеломкостью, ЗП=36%. ЗП отражает влияние ряда неучтенных ранее факторов на горячеломкость сплавов, определяемую с помощью технологических проб. Наиболее существенные из них следующие два. Прежде всего, реально свободная усадка при полном её затруднении не может вызывать деформацию растяжения отливки, так как в процессе непрерывного охлаждения до температуры T часть усадки реализуется в виде пластической деформации, развивающейся в отливке при температурах, больших Т. Влияние второго фактора, т.е. локализацию деформации растяжения отливки при торможении ее свободной линейной усадки не учитывается даже условно.
В последнее время исследователи делали неоднократные попытки определить температуру и напряжения, при которых возникают трещины от затрудненной усадки.
Момент разрушения может быть зафиксирован прибором, который позволяет установить критическую температуру термического центра, близкую к температуре нулевой жидкотекучести, но лежащую между последней и температурой солидуса. Данный прибор, сконструированный совместно с Н.А. Трубицыным, В.Г. Грузиным, И.И. Авиловым и В.Н. Савейко в ЦНИИТМАШе [27], позволяет одновременно записать нагрузку, при которой разрывается все сечение образца, а затем и спад ее при помощи самопишущего электронного потенциометра ЭПП-09 с шестью или двенадцатью шлейфами.
|
|
|
При упругой деформации под действием стальной пластины проволочки тензометра удлиняются и вследствие этого изменяется его электрическое сопротивление, отсчитываемое мостиком Уитстона. На одной диаграмме можно записывать показания нескольких проб, заливаемых одновременно- или через определенные промежутки времени.
О влиянии состава стали на трещиноустойчивость единой точки зрения пока нет. Было экспериментально найдено, что максимальной трещиноустойчивостью обладает сталь с 0,20% С. Дальнейшее повышение содержания углерода приводит сначала к понижению трещиноустойчивости, а затем наблюдается незначительное повышение ее.
Н.Г. Гиршович, Ю.А. Нехендзи и Б.Г. Лебедев [7] исследовали трещиноустойчивость сплавов Fe-C в более широком интервале содержания углерода (0,1-3,9%) и подтвердили эти выводы. Наоборот, К. Бекиус (Швеция) пришел к другим выводам.
По его мнению, сталь с 0,2% С обладает минимальной трещиноустойчивостью, а сталь с 0,4% С - максимальной.
Трещиноустойчивость нельзя объяснить ничем иным, как качеством связи кристаллитов твердой оболочки, успевшей закристаллизоваться к моменту развития напряжений вследствие торможения усадки.
И.И. Лупырев и Б.Б. Гуляев исследовали влияние конструкции теплового узла и холодильников на изменение прочности стали после заливки формы [28]. Они установили, что прочность стали при температуре разрыва образцов в зависит от формы сечения и от скорости нарастания нагрузки вследствие стесненной усадки.
|
|
|
