Общие сведения

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.

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.