Усадочные деформации.

Изменение размеров отливки при полном охлаждении по сравнению с тему, которые она имела после заполнения полости формы, можно назвать усадочной деформацией. Усадочные деформации проявляются в форме линейной усадки и искривления осей отдельных элементов или коробление. При охлаждении отливки в форме при наличии выступов и полостей, оформленных стержнями, усадка тормозится, что вызывает в ней пластические деформации. Такая усадка называется затрудненной, в отличие от свободной, происходящей в прямолинейных вытянутых элементах, усадка которых почти не тормозится формой. Предусадочное расширение является главной причиной снижения литейной усадки. Его величина зависит от податливости формы. В неподатливых металлических формах предусадочное расширение не проявляется. В малоподатливых сухих песчано-глинистых формах она равно для обычного серого чугуна 0.05 и для высокопрочного 0.15%. Высокоподатливых сырых формах достигает максимального развития и может быть в серых чугунах 0.3 и до 0.6%, а высокопрочных чугунах - 0.6 и до 0.9%. В обычных сталях предусадочное расширение находится в пределах 0.01-0.1%.

Величина затрудненной усадки литейного материала зависит от коэффициента усадки и способности к деформированию самого сплава, податливости формы и конструкции отливки.

Коробление отливок возникает в результате неравномерного охлаждения усадки её элементов, переходящей в пластические деформации. Неравномерность охлаждения вызывается различными размерами сечений или различными условиями отвода теплоты от элементов отливки, образующих единую связанную систему.

В качестве основных мероприятий по предотвращению коробления отливок используется следующее:

1) Создание отливок с одинаковой толщиной всех её связанных элементов, обеспечивающей равную скорость их охлаждения;

2) применение ребер жесткости, препятствующих короблению;

3) ускорение охлаждения массивных частей отливки при помощи холодильников или иными методами.

Трещины.

Трещины представляют собой частичное или полное разрушение сечения отливки, вызванное достижением предела прочности сплава растягивающими напряжениями, развившимися в результате противодействия тех или иных сил усадки в твердом состоянии. Трещины принято делить на горячие и холодные.

Горячие трещины имеют черную окисленную поверхность и значительное расхождение между краями; они образуются вблизи температур кристаллизации, когда в средней части отливки имеется жидкий металл.

Холодные трещины имеются блестящую поверхность, обычно с цветами побежалости и незначительным расхождением между краями; они образуются при низких температурах (ниже 700^оС для стали и чугуна) после полного затвердевания отливок.

Силы, тормозящие усадку и вызывающие напряжения, можно разделить на пассивные и активные. Величина пассивных сил может существенно снижаться за счет пластической деформации отливки. К этой группе относятся:

а) торможения усадки песчаной формой, обладающей низкой податливостью;

б) торможение усадки одних частей отливки другими, охлаждающимися с различными скоростями.

Величина активных сил не зависит от пластической деформации материала отливки. К этой группе относятся:

а) нагрузка упругим элементом:

б) масса отливки в случае зависания на корочке:

в) статический напор металла:

г) центробежное давление при центробежной отливке.

Склонность сплавов к образованию горячих трещин оценивается при помощи следующих проб:

1) Оценка по критическому размеру образца. В качестве критического размера может применяться длина. На образце с фланцами делается утолщение, охлаждающее медленнее, чем основная часть; в этом утолщении трещина и возникает. Чем длиннее тонкая часть образца, тем больше её деформация и выше напряжение в толстой части. Из испытуемого сплава отливается серия образцов разной длины. Длина образца, начиная с которой трещины образуются, рассматривается как степень трещиноустойчивости сплава (см. рис 1)

В качестве критерия оценки может служить так же расстояние металлической перекладины от основания П-образного образца, при котором в углу образуется трещина. Чем больше расстояние перекладины от основания отливки, тем больше плечо, выше изгибающие напряжения и вероятнее образование трещины (см. рис 2).

2) Оценка по размеру трещины. В качестве критерия в этом случае применяются: длина, ширина, площадь или количество трещин на образце, отливаемом в условиях, когда они обязательно образуются. Такие пробы обычно имеют форму колец, заливаемых на металлических стержнях различного диаметра. Диаметр стержня должен быть подобран для данных сплавов заранее. Проба с распоркой показанная на рис.2, так же может служить для оценки размеров трещин при постоянном положении её установки. Пробы имеющие форму колец, обычно используют для цветных сплавов.

3) Оценка по критической нагрузке. В этом случае образец заливается таким образом, чтоб к одному из его концов заранее приложена нагрузка. Отливая серию образцов различными нагрузками можно установить, при какой из них начинается образование трещин. При такой системе остаются неизвестными, ни момент, ни температура разрушения (см. рис 3).

Более разумно разрывать образцы через различные промежутки времени после заливки, измеряя при этом температуру в момент разрыва. Еще лучшие результаты дают разрывы образцов при различных температурах, достигаемых через разные промежутки времени после заливки, с одновременной фиксацией нагрузки и деформации в момент разрыва.

На возможность образования трещит в отливках оказывают влияние следующие факторы:

1) усадка сплава в твердом состоянии;

2) механические свойства (прочность, пластичность и упругость) сплава при высоких температурах;

3) особенность затвердевания, в наибольшей степени образования "слабых мест" в твердой корке;

4) податливость формы, т.е. сопротивление усадке отливки.

Изменение механических свойств сплава при изменении температуры от точки ликвидус происходит следующим образом:

- модуль упругости Е, определяющий развитие напряжений, и предел прочности σ_в, определяющий разрушение, непрерывно снижаются при повышении температуры металла. Особенно быстро они падают вблизи температуры солидус Т_с.

- пластичность сплава δ при повышении температуры от нормальной первоначально возрастает, затем стабилизируется. Вблизи от температур солидус, когда межзеренные прослойки начинают оплавляться, пластичность быстро уменьшается. В районе между температурой солидус и температурой, лежащей на границе питания, возникает интервал хрупкости. При приближении к границе выливаемости пластичность вновь возрастает. В интервале хрупкости относительное удлинение падает от десятков процентов до десятых долей процента; интервал хрупкости соответствует температурам образования трещин. В этом интервале при низком уровне пластичности сплав практически не может снижать уровень напряжений, вызванных усадкой, за счет какой-либо пластической деформации.

- вблизи от температуры солидус модуль упругости падает до 10-15% его значения при нормальной температуре. Предел прочности при температуре солидус снижается до весьма низких значений, а при температуре на границе выливаемости падает до нуля.

-в области эвтектических сплавов, начиная от точки пересечения линии температур на границе выливаемости и эвтектической платформы, склонность к горячим трещинам резко понижается. Присутствие в сплаве эвтектической составляющей рассматривается как показатель устойчивости сплавов против горячих трещин.

Напряжение в твердой корке, усадка которой тормозится, достигнут максимум в том месте, где корочка имеет минимальную толщину. Таким "слабые места" возникают во входящих углах сопряжений; в них обычно образуются трещины.

При отсутствии входящих углов и значительных напряжениях в корке, вызванных торможением усадки со стороны стержня или формы, надрыв реализуется в том месте, где рост кристаллов в наибольшей степени замедлился. Это может произойти в зоне местного разогрева, возникающих при заливке. Практика показывает, что повышение температуры и скорости заливки способствует усилению развития горячих трещин. Это объясняется возрастанием неравномерности роста твердой корочки, связанной с теплопередачей из струй жидкого металла, текущего вдоль внутренней поверхности области затвердевания. Условием отсутствия трещин в отливке будет:

где Е_м и Е_ф - модули деформации для материала сплава и формы;

σ_м и σ_ф - напряжения, действующие в отливке и форме;

F_ф и F_м - поверхность формы и металла;

α_т - коэффициент усадки металла в твердом состоянии;

σ_в(Т) - предел прочности металла.

Из неравенства вытекают следующие направления борьбы с горячими трещинами:

1) уменьшение площади выступающих частей F_Ф;

2) уменьшение модуля деформации E_Ф;

3) увеличение площади сечения металла F_M, т.е. устранение "слабых мест";

4) уменьшение, если это возможно, усадки металла α_т;

5) уменьшение модуля деформации металла Е_М или повышение его пластичности;

6) увеличение прочности металла σ_в(Т).

Мероприятия по борьбе с горячими трещинами сводятся к следующим основным положениям:

1) Увеличение податливости формы за счет применения податливых формовочных смесей;

2) Упрочнение слабых мест в отливках. Это может достигаться, во-первых, путем установки холодильников, во-вторых, установки ребер жесткости, в-третьих, создание плавных переходов в сопряжениях.

3) Устранение выступающих частей в отливках путем изменения конструкции детали или расчленения их на более узлы с последующей сваркой (может применяться лишь как крайняя мера).

4) Снижение температуры и скорости заливки, если это не вызывает других дефектов в отливке. Ослабление местных разогревов за счет выбора рациональной конструкции литниковых систем.

5) Снижение содержания в сплаве примесей, способствующих развитию интервала хрупкости, в железных сплавах. К таким примесям относятся сера, фосфор, водород.

Холодные трещины в отливках - сравнительно резкое явление. Они возникают в хрупких сплавах при быстром охлаждении или ударах (например, в неотожженных отливках из ковкого чугуна).