Лабораторная работа №4
Тема: Определение внутренних напряжений в отливках
Цель работы: овладение методикой определения остаточных напряжений в литых конструкциях и более глубокое изучение механизма возникновения и действия напряжений в отливках.
Материалы и оборудование:
- алюминиевый литейный сплав;
- электропечь с терморегулятором;
- две термопары с милливольтметром;
- линейка масштабная;
- штангенциркуль;
- формовочная смесь с оптимальными характеристиками;
- набор формовочного и плавильно-разливочного инструмента;
- тигель ёмкостью не менее 5 кг;
- модель усадочной решетки для изготовления экспериментальной формы;
- ножовка по металлу;
- чертилка или лезвие безопасной бритвы;
- набор напильников;
- переносной микроскоп.
Умение определять внутренние напряжения в отливках необходимо при исследовании влияния конструкции детали, химического состава сплава, температуры и скорости заливки, процесса модифицирования сплавов, режимов их термической обработки и других факторов литейной технологии на величину остаточных напряжений с целью их уменьшения и сокращения брака по деформации и трещинам. Вопросы эти имеют большое значение также при разливке стали в слитки, при прокатке, ковке, штамповке и сварке и особенно при их термической обработке.
Общие сведения
Напряжениями называются поверхностные нагрузки, приходящиеся на единицу поперечного сечения элемента конструкции σ (кгс/мм2) Проблема литейных напряжений впервые была выдвинута русским металлургом Н.В.Калакуцким в 1887 г. в работе "Исследование внутренних напряжений в чугуне и стали".
При затвердевании и охлаждении отливок в литейной форме, а также после освобождения их из формы, во многих случаях возникают внешние и внутренние силы, препятствующие свободной усадке металла отливки. Торможение усадки металла создается несколькими причинами:
а) выступавшими частями и углублениями формы, а также стержнями, что называют механическим торможением усадки;
б) разной скоростью охлаждения и усадки толстых и тонких частей отливки, ее поверхностных и внутренних слоев, что называет термическим торможением усадки;
в) неодновременным протеканием и разным характером фазовых превращений и связанных с ними изменений объемных и линейных размеров (превращение γ → α, графитизация чугуна и др.) в разных частях отливки и по ее сечению, вследствие разной скорости охлаждения.
При торможении усадки металла по указанным причинам в отливке возникают механические, термические и фазовые напряжения, которые суммируются, перераспределяются и уравновешиваются в пределах литой конструкции. Напряжения, существующие в твердом теле при отсутствии внешних нагрузок к уравновешивающиеся в пределах этого тела, называются внутренними напряжениями. Суммарные внутренние напряжения в отливках называются литейными напряжениями. Так как они уравновешиваются в пределах всей отливки, литейные напряжения являются макроскопическими (зональными) или напряжениями первого рода.
Под действием развивающихся напряжений в элементах отливки возникают деформации, приводящие к изменению их линейных размеров. Силы торможения усадки и величина литейных напряжений от начала их возникновения непрерывно изменяется. Конечные напряжения полностью охлажденной отливки называются остаточными напряжениями.
При высоких температурах (для чугуна и стали выше 600°) возникающие напряжения в значительной степени уменьшаются (релаксируют) за счет развивающихся под их воздействием пластических (остаточных) деформаций. В области более низких температур (для чугуна и стали ниже 600°) напряжения в отливках вызывают упругие деформации.
Значительное развитие литейных напряжений приводит к уменьшению точности размеров, к короблению отливок и развитию в них трещин. Уменьшение литейных напряжений в процессе охлаждения отливки является одной из важных проблем литейного производства.