Внутренние напряжения отливок

Внутренние напряжения отливок

Внутренние напряжения возникают в стенках отливки, усадка которых тормозится сопротивлением элементов формы или действием смежных стенок. Усадочные раковины и пористость появляются в частях отливки, застывающих в последнюю очередь, — в утолщениях и массивах, теплоотвод от которых затруднен (горячие узлы).

Повышенные внутренние напряжения вызывают коробление отливки и могут привести к образованию трещин.

Со временем внутренние напряжения перераспределяются и частично рассеиваются в результате медленно протекающих диффузионных процессов (естественное старение). Через длительный промежуток времени (2—3 года) деталь меняет первоначальную форму, что недопустимо для точных машин (например, металлорежущих станков).

Усадочные напряжения возникают лишь на тех стадиях остывания, на которых металл теряет пластичность (для чугуна в интервале 500—600°С, для стали 600—700°С). При более высоких температурах изменение размеров компенсируется пластическим течением металла: здесь усадка проявляется лишь утонением стенок.

В коробчатой отливке длиной L и шириной l (рис. 463, а) внутренняя перегородка (на рисунке зачернена) остывает медленнее, чем горизонтальные стенки. Пусть в рассматриваемый момент перегородка имеет температуру t1, соответствующую температуре перехода металла из пластичного состояния в упругое, а стенки — более низкую температуру t2, при которой металл уже находится в упругом состоянии.

Возникновение усадочных напряжений

При дальнейшем остывании ниже температуры t1 материал перегородки твердеет и, сокращаясь, подвергается растяжению. Так как сокращение происходит в двух направлениях (по осям х и у), то в перегородке к концу остывания возникают двухосные напряжения растяжения, а в стенках — реактивные напряжения сжатия.

Если, наоборот, температура перегородки в исходный момент была ниже температуры стенок (вид б), то к концу остывания в перегородке возникают двухосные напряжения сжатия, а в стенках — растяжения.

Как правило, участки отливки, остывающие раньше, подвергаются сжатию, а участки, остывающие позднее, — растяжению.

Определим усадочные напряжения для случая, когда перегородка остывает позднее (см. рис. 463, а). Ограничимся рассмотрением деформаций по оси х.

К концу остывания перегородки должна была бы укоротиться на величину

Vnutr naprjaj 2

а стенки на меньшую величину

Vnutr naprjaj 3

где l — длина стенок по оси х; α — коэффициент линейного расширения; t0 — конечная температура остывании. Разность

Vnutr naprjaj 4

определяет напряжения в отливке. Согласно закону Гука

Vnutr naprjaj 5

где Р — сила, возникающая в системе; E — среднее значение модуля нормальной упругости материала в интервале температур t1—t0; F1 и F2 — площади сечений соответственно перегородки и стенок, нормальных к оси х (F1 = s1L; F2 = 2s2L).

Сила

Vnutr naprjaj 6

Напряжение растяжения в перегородке

Напряжение растяжения в перегородке

Напряжение сжатия в стенках

Напряжение сжатия в стенках

Отношение напряжений

Vnutr naprjaj 9

Как видно из этих выражений, напряжения прямо пропорциональны произведению Eα, разности температур t1—t2, зависят от соотношения площадей сечении F1/F2 перегородки и стенок, но не зависят от их длины l.

Для уменьшения напряжений в перегородке целесообразно увеличивать ее толщину и уменьшать толщину горизонтальных стенок. Опасен случай тонких и узких (L’ < L) внутренних связей (вид в), в которых развиваются высокие напряжения растяжения (если они остывают позже стенок) или сжатия (если они остывают раньше).

Напряжения можно регулировать также ребрами. Следует иметь в виду, что поперечные ребра (вид г) влияют на усадочные напряжения только по оси х, а продольные ребра (вид д) — только по оси у.

Под действием напряжений стенки отливок деформируются, как показано на виде е (случай перегородки, застывающей позже). Напряжении можно значительно снизить, если придать отливке податливость в направлении усадки. Например, для уменьшения усадочных напряжений по оси х целесообразно делать криволинейными перегородку (вид ж) или перегородку и горизонтальные стенки (вид з) или вводить усадочные буфера (вид и). Для уменьшения усадочных напряжений одновременно по осям х и у следует придавать перегородке и стенкам двоякосводчатую форму.

Первопричиной усадочных напряжений является различие температур стенок. При t1 = t2 напряжения равны нулю. На этом основан способ одновременного затвердевания. Обеспечивая равномерное остывание отливки, при котором температура стенок в каждый данный момент одинакова, можно получить отливку, свободную от усадочных напряжений.