Затвердевание и охлаждение отливок. Условия кристаллизации сплавов при затвердевании отливок. Формирование поверхности отливок, страница 17

Рис. 15. Изменение температуры tи линейного размера lтонкой (I) и массивной (II) частей отливки (l_н и l_к — длина отливки соответственно в начале и конце линейной усадки)

При анализе охлаждения и усадки принимаем:

1) обе части отливки достигнут t_н.л.у одновременно;

2) сплав до определенной температуры может пластически деформироваться под воздействием даже незначительных напряжений;

3) переход сплава из пластического состояния в упругое происходит при определенной температуре;

4) коэффициент линейного термического сжатия не зависит от температуры.

Скорости охлаждения сильно отличающихся по толщине Iи IIчастей отливки в разные периоды будут различными, хотя конечной температуры они достигнут примерно в одно и то же время вследствие высокой теплопроводности (рис. 15, б).

Сплав, имеющий температуру выше t_кр, находится в области пластических деформаций; ниже t_кр — в области упругих деформаций. Изменение линейных размеров отливки и ее отдельных частей показано на рис. 15, в. За период времени 0—τ₁ отливка уменьшится на Δl/_0-1. ее длина будет l₁(точка В). За это время брус и тонкое ребро охладятся до различных температур. Они должны были бы изменить свою длину пропорционально температурному градиенту: ребро сократится до точки В₁, массивный брус до точки В₂. В момент времени τ₁ ребро I относительно свободной усадки сплава растянуто, а брус II сжат.

Благодаря пластической деформации внутренние напряжения в отливке снимаются. Кривая изменения длины всей отливки — кривая АВ — будет проходить между линиями свободной усадки сплавов  отдельных ее частей.

При дальнейшем охлаждении сплав тонкого ребра переходит в область упругих деформаций, в то время как сплав массивного бруса продолжает сохранять способность к пластической деформации. В период τ₁—τ₂ размеры отливки изменяются пропорционально скорости охлаждения тонкого ребра, поэтому кривая ВС параллельна кривой В₁С₁. Но как только сплав бруса и ребра окажется в области упругих деформаций (при τ > τ₂), релаксация (процесс постепенного возврата в состояние равновесия) напряжений проходить не сможет.

Неравномерное охлаждение отдельных частей отливки в этот период приводит к возникновению внутренних напряжений, в том числе и остаточных. Изменение размеров отливки при охлаждении до нормальной температуры составит Δl_0-4, и пройдет она за время τ₂—τ₄. К моменту времени τ₄ ребро I должно было бы измениться на Δl_1-4 (кривая СD₁проходит параллельно соответствующему по времени участку кривой I на рис. 15, б, так как усадка пропорциональна градиенту температур), но из-за массивного бруса, который охлаждается с большей скоростью за счет повышенного температурного градиента, оно упруго сжимается. Так, к моменту τ₃, когда температура ребра I еще не достигла температуры окружающей среды, его усадка (состояние сплава — упругое) составляет Δl_1-4 = Δl_0-3 но размеры отливки продолжают изменяться, и ко времени полного охлаждения ребро I окажется сжатым уже на D₁D. Сплав бруса II к концу охлаждения полной усадки Δl_2-4 не претерпевает, и брус оказывается растянутым на DD₂.

В отливке возникают остаточные внутренние напряжения, величина которых пропорциональна вынужденной деформации D₁D₂ или температурному градиенту массивной и тонкой частей в момент их перехода в область упругих деформаций (t_2-2––t_1-2). Полнота релаксации напряжений в области пластических деформаций зависит от соотношения скоростей возникновения напряжений и деформации. Если скорость деформации мала, то остаточные напряжения могут вызвать образование трещин в отливке. Для уменьшения остаточных напряжений следует обеспечить равномерное охлаждение всех частей отливки.

Напряжения, возникающие в области упругих деформаций, могут привести к короблению отливки или даже к ее разрушению.

В случае, когда отливка сохраняет свою целостность и конфигурацию, остаточные внутренние напряжения существенно снижают ее прочность.

Напряжения, как результат неравномерности охлаждения, могут возникать не только в сложной отливке с различной толщиной стенок, но и в простой массивной отливке, поверхностные и внутренние слои которой охлаждаются с различными скоростями. После окончания охлаждения поверхностные слои окажутся в сжатом состоянии, а внутренние — в растянутом.