Исследование деформации и внутренних напряжений

Трещины образуются в отливках в результате достижении предела прочности напряжениями, развивающимися в металле и увеличивающие торможения усадки при охлаждении в твердом состояниитрещины в отливках делятся на следующие виды:

Горячие трещины, образующиеся в процессе затвердевания и отливки, вызванные:

1.                зависанием слитка или отливки;

2.                 торможением усадки формой или частями отливки;

3.                 внешними силами (центробежными силами, гидростатическим напором жидкого металла и др.).

Холодные трещины, образующиеся при охлаждении отливки после полного затвердевания.

Для определения прочности в момент образования трещин применяется два принципиально различных подхода:

1.                  определение прочности в момент разрушения образца с заранее заторможенной усадкой;

2.                  определение прочности путем нагружения образца в заранее заданный момент при определенной температуре:

а) в условиях охлаждения залитого образца в форме применительно к условиям литейного производства - при фиксации только предела прочности или при снятии полной диаграммы деформация напряжение;

б) в условиях нагрева образца до заданной температуры в печи применительно к условиям сварки.

Механические свойства стали вблизи температуры кристаллизации являются одним из основных факторов, определяющих возможность образования трещин.

Внутренние напряжения и деформации образуются в результате неравномерного охлаждения отливок в твердом состоянии в области температур, где разрядка напряжений за счет пластической деформации не происходит.

Деформации в отливках разделяются на два вида:

а) коробление - значительные искажения формы изделия;

б) усадка (линейная) - изменения размеров отливки, связанные с равномерным или неравномерным уменьшением длины отдельных ее элементов без существенного искажения формы.

Наиболее простым видом деформации отливок является изменение их линейных размеров при усадке без искривления осей. Этот вид деформации учитывается при изготовлении моделей. Однако в связи с резким повышением требований к точности размеров обычных отливок и появлением разнообразных методов литья, обеспечивающих повышение точности, вопросы линейной усадки отливок начинают привлекать все больше внимания. Теория этого вопроса начала развитие с работ Ю.А. Нехендзи [7]. Разработано большое количество различных приборов для определения усадки. Все они основаны на одновременном изменении размеров и температуры образца, заливаемого в форму. За последнее время ряд таких приборов, а также результаты исследования усадки важнейших литейных материалов описаны в работах И.Ф. Большакова и Т.М. Смирнова, С.В. Малашенко и Р.П. Тодорова [3], В.П. Чернобровкина [4, 5].

П.П. Берг и В.Н. Савейко [6] предложили формулы для расчета заторможенной линейной усадки в простейших случаях.

Величины линейной усадки для отливок из различных литейных материалов, по данным С.В. Руссияна и др. [13], а также П. В, Сорокина [8],

Исследования И.Е. Петриди [14] показали, что при изготовлении отливок из ковкого чугуна размеры готовых отливок оказываются равными или несколько большими размеров моделей. При затвердевании и охлаждении отливок из белого чугуна происходит усадка, в свободном состоянии равная 2,19-2,30%; при отжиге происходит рост на 1,4-1,6%. В результате окончательная усадка должна составлять 0,2-0,6%. Однако в реальных отливках усадка происходит всегда с торможением и не превышает 1,5-1,8%. Поэтому при изготовлении отливок из ковкого чугуна нет надобности давать припуск на усадку. Вопросы усадки чугуна с шаровидным графитом рассмотрены в книге Н.И. Клочнева [10].

Поскольку отливка всегда охлаждается неравномерно, в ней всегда возникают внутренние напряжения. Общая теория температурных напряжений в упругой области составляет важную главу теории упругости. Однако она приносит мало пользы для количественного анализа напряженного состояния отливок. Пластические деформации разряжают внутренние напряжения. Степень разрядки при различных условиях мало изучена и остается пока неопределенной величиной. Впервые вопрос о внутренних напряжениях поднял Н.В. Калакуцкий, которому принадлежит этот термин.

Внутренние напряжения в отливках анализировали Ф. Гейн, Ю.А. Нехензди [7], Н.Г. Гиршович [15] и А.А. Рыжиков.

Для оценки внутренних напряжений в отливках применяются технологические пробы, представляющие собой связанные системы с элементами различной толщины и имеющие, чаще всего, форму рамки. При затвердевании и охлаждении такой пробы в ней должны возникнуть внутренние напряжения. При разрезании напряженного элемента за счет разгрузки напряжения происходит деформация пробы, измерение которой позволяет рассчитать напряжение.

Н.Г. Гиршович получил следующие упрощенные формулы для расчета напряжений, возникающих в связанной системе, состоящей из брусков различного сечения.

Сумма всех этих напряжений определяет характер и степень деформации различных частей отливки.

Л.С. Константинов [16] проанализировал процесс образования напряжений в области пластического состояния и пришел к выводам, что термические напряжения начинают развиваться отливке не с момента перехода из пластической области в упругую, а с момента перехода металла в твердое состояние. Деформации и трещины при определенных условиях могут возникнуть в металле при любых температурах. Возникновение напряжений в пластическом области может изменять линейную усадку отливки, даже если пластическая усадка совершенно «не тормозилась» формой.