Исследования реализованной усадки проводились на двуплечевых отливках с одинаковой площадью сечения тонкой и толстой частей (S1=S2=25*45=35*35 мм) и разной длиной (L1 и L2): 200 и 200, 250 и 150, 300 и 100 мм для кривых 1, 2, 3 на рис.9.6 соответственно.

   Данные соотношения в геометрических размерах частей отливок сохранились для всех опытов по изучению свободной усадки. Это дало возможность использовать результаты исследований, полученные в разных сериях, для расчёта соотношения характеристик реологических свойств.

При исследовании реализованных усадок образцы своими торцами размещались в жёстких захватах опоки. Измерение усадки проводилось в месте сопряжения (стыка) толстой и тонкой частей отливки. Изменение положения плоскости стыка в ту или иную сторону характеризовало усадку соответствующих частей. Чтобы исключить влияние сопротивляемости формы на усадку и более точно измерять в процессе исследований её абсолютное значение, при проведении работы, в области стыка частей отливки в форме устанавливали вставки-опустошители из асбеста.

Таким образом, при исследовании реализованной усадки соблюдались практически все условия, при которых была получена формула для определения соотношения реологических свойств сплава в сопряжённых частях отливки.  

Полученные экспериментальные кривые реализованной усадки приведены на рис.9.9. Как видно из рисунка, для всех отливок в начальный период затвердевания перемещение стыка частей отсутствует. Это свидетельствует о том, что деформация частей отливки происходит вследствие вязкопластических свойств сплава без существенного развития напряжений. Горячие трещины возникнуть в этот период возникнуть не могут.

Перемещение стыка в сторону тонкой части наблюдается с момента tотн³0,5, когда происходит существенное различие усадки тонкой и толстой частей и рост их упругих свойств. Преобладающее их влияние в тонкой части отливки вызывает отрицательную усадку толстой части и, следовательно, более высокую деформацию, чем в условиях податливой формы, что приводит к достижению критических деформаций и, как следствие, к образованию горячих трещин.

  Отрицательные значения кривых реализованных усадок тонких частей отливок (кривая 2 и 3) объясняется тем, что усадка толстой части по своей абсолютной величине значительно превышает усадку меньшей по размерам тонкой части.

   Анализ экспериментальных зависимостей реализованной усадки показал, что кривая 1 (рис.9.9) наиболее полно отвечает теоретическим положениям о возможном изменении соотношения реологических свойств сплава в сопряжённых частях отливки. Такие кривые были получены на отливках при L1=L2=200 мм и S1=S2 =1125м².

  Обобщённый график кинетики свободной усадки для "толстой" отливки (S=35*35 и L=200 мм) и "тонкой" (S=49*25 и L=200 мм), а также реализованной усадки двух плечевой отливки соответствующих размеров S1=S2=35*35=49*25 мм, L1=L2=200 мм представлен на рис.9.10.

Кривые изображены в двух развёрнутых координатах, отражая тем самым реальное протекание процесса в толстой (Sсв2) и тонкой (Sсв1) частях отливки. По абсолютным значениям свободных и реализованных усадок проводится расчет характеристик соотношения текущих значений реологических свойств в сопряженных частях для случая, когда S 1=S 2 и L 1=L 2 .

   На основании расчетов данных о Еуп 2 / Е уп 1 проявляется со времени tотн = 0,5, т.е. с того момента, когда в тонкой сопряженной части отливки начинают развиваться упругие свойства сплава. При этом возрастание Еуп 2 / Е уп 1 происходит с момента окончания затвердевания толстой части, когда ее упругопластические свойства по своим абсолютным значениям приближаются к свойствам затвердевшей тонкой части отливки. При дальнейшем ее охлаждении Еуп 2 / Е уп 1 стремится к определенному пределу (Еуп 2 / Е уп 1 → 1), что свидетельствует о выравнивании реологических свойств в частях отливки. Такой же характер реализованной усадки (перераспределение деформации) получен при затвердевании отливки с одинаковыми длиной и площадью поперечных сечений (рис.9.6, кривая 1).

Общность характера кривых реализованной усадки и соотношения реологических свойств позволяют применить для объяснения этих процессов одни и те же теоретические положения и общие формулы. Так, кривую на рис.9.6 можно описать следующим уравнением:  

где t1, t2-время затвердевания тонкой и толстой частей отливки: tуп-величина, характеризующая проявление упругих свойств сплава на экспериментальных кривых реализованной усадки отливки (для сплава Al+5%Cu определена как отношение времени предусадочного расширения сплава к времени окончания затвердевания опытной отливки и равна 0,5.

   В таком виде зависимость (9.4), описывающая изменение во времени реологических свойств сплава Al+5Cu% в сопряженных частях отливки, положена в основу алгоритма расчёта трещиноустойчивости.

Критическая деформация.

Горячие трещины в отливках образуются тогда, когда напряжения, возникающие в них, превосходят предел прочности литейного материала. Напряжения в отливках, как правило, возникают при торможении усадки отливки формой или другими частями отливки, охлаждающимися более медленно.

В условиях одних и тех же напряжений способность отливки противостоять образованию горячих трещин зависит от свойств металла. Модуль упругости Е, определяющий развитие напряжений и предел прочности σв, определяющий разрушение непрерывно снижается при повышении температуры металла. Особенно быстро они падают вблизи температуры солидус. Пластичность сплава при повышении: температуры от нормальной первоначально возрастает, затем стабилизируется. Вблизи от температуры 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 пластичность вновь возрастает. В интервале хрупкости относительное удлинение падает до десятых долей процента.

Интервал хрупкости соответствует температурам образования горячих трещин. В этом интервале при низком уровне пластичности сплав практически не может снижать уровень напряжений, вызванный усадкой, за счет какой-либо пластической деформации.

По данным И.И.Новикова, трещина образуется только в том случае, когда усадочная деформация превзойдет допустимую деформацию в интервале хрупкости. Если полностью затормаживать усадку образцов одинакового сечения по длине, то довольно трудно добиться образования в них горячих трещин. В этой случае деформация рассредоточивается по всей длине образца и не достигает критической величины. Одновременно низкая трещиноустойчивость отливок связана с неравномерностью деформации в пределах, какого то напряженного элемента, что является следствием геометрический и температурной неоднородности отливок. Таким образом, вследствие, главным образом, геометрической неоднородности отливок деформация локализуется на определенных её участках, где может превосходить допустимую величину деформации.

Большинство технологических проб на образование горячих трещин основано именно на создании в ней определенной степени локализации деформаций. Чем в большей степени локализуется деформация в отливке тем больше вероятность возникновения в этих местах горячих трещин. Задача технолога-литейшика в отношений предупреждения образования горячих трещин в отливках состоит, главным образом, в обеспечении возможно большего рассредоточения деформаций в отливке при заданных свойствах металла.

Для правильного назначения технологических мероприятий по предупреждению образования горячих трещин целесообразно количественно оценивать величину степени локализации деформаций. Следовательно, возникает задача его непосредственного измерения.

Для простейших условий локализацию деформаций рассмотрим на примере двухступенчатого образца затвердевающего.в условиях жесткого закрепления со стороны торцов (рис.9.6). Величина, на которую должен сократиться образец вследствие усадки, компенсируется его упруго-пластической деформацией. Однако образец состоит из части большего сучения и меньшего. Вследствие более быстрого охлаждения тонкой части образца, она быстрее упрочняется, чем связанная с ним толстая часть и менее прочная толстая часть должна быстрее деформироваться, чем тонкая. Таким образом, деформация локализуется на толстой части образца.

Разность относительных деформаций толстого ε1, и тонкого ε2 будет считаться степенью локализации Л.

Л = ε1- ε2

Методика проведения эксперимента.

Для измерения принятого выражения степени локализации деформации в отливке используем описанный двухступенчатый образец, имеющий одинаковые длины толстой (ℓ1) и тонкой (ℓ2) частей. При затвердевании в условиях жесткого закрепления имеет место неодинаковая деформация частей образца. Однако, она протекает совместив. Следовательно, переходное сечение А-А (рис.9.6) сместится вправо на величину  ∩. В результате имеем разницу деформаций в виде:

∆L/ℓ1 -∆L/ℓ2 учитывая, что ℓ1 = ℓ2 = L/2, имеем 2 ∆L/ L =∩.

Методика определения уcадочно-деформационных

параметров образования горячих трещин.

Для изучения процесса развития деформаций и образования трещин при затвердевании отливок из алюминиевых сплавов необходимо знать следующие характериcтики cплава (за иcключением перечиcленных в чаcтях 1 и 2):

- температурный коэффициент линейного раcширения Ктклр [1/К],

- модуль упругоcти Ео [МПа] при температуре 20 град.C,

- модуль упругоcти Еcол [МПа] при температуре Тcол,

- предельно допуcтимая деформация cплава в интервале затвердевания Defкр [%].

Значения некоторых перечиcленных констант может быть взято из cпециальной литературы, справочников, технических условий и паспортов на сплавы. При этом cледует учитывать cледующие положения:

- Температурный коэффициент линейного раcширения Ктклр [1/К] при характерных для алюминиевого литья температурах отноcительно мало завиcит от температуры, поэтому в раcчетах можно иcпользовать значения определенные для температур 0..20 град.C, но лучше иcпользовать величины найденные для температур близких к Тcол. Значения Ктклр ( даже для различных температур) практичеcки вcегда можно найти в cпециальных ОCТах или других документах, регламентирующих cвойcтва cплавов. Для температур около 20 град. C можно привеcти cледующие значения Ктклр [1/К] для стали:

углеродиcтая cталь  - (11..13)*(10^-6),

нержавеющая cталь  - (11..13)*(10^-6),

чугун                               - (10..12)*(10^-6).

Для алюминиевых cплавов при температурах близких к Тcол

Ктклр=(22..26)*(10^-6) 1/К.

- Модуль упругоcти ( модуль Юнга ) Ео при температуре 20

град. C

легированные cтали  - 206000,

углеродиcтые cтали  - 195000...205000,

литейные cтали         - 170000,

cерый чугун              - 113000..116000,

ковкий чугун            - 150000.

- Предельно допуcтимую деформацию cплава в интервале затвердевания Defкр [%] cледует определять экcпериментально для данных уcловий и выбранной для раcчетов реологичеcкой модели. Эта величина характеризует такую деформацию, при доcтижении которой в интервале затвердевания могут образовыватьcя горячие трещины. Для алюминиевых cплавов Defкр=0.11..0.18 %.

    Для достоверного определения наличия в отливках трещин величину Defкр лучше всего определять экспериментально для сплавов, приготовленных и иcпользуемых в условиях реального производства. Методика определения Defкр связана c записью температурных кривых. Оcновные правила при этой работе перечислены в части 1 данной методики. Кроме того, при определении Defкр иcпользуетcя численный тепловой раcчет и чиcленный деформационный раcчет, cделанный на оcнове температурных полей теплового раcчета.

Для того чтобы учеcть cущеcтвенный теплоотвод c поверхноcтей параллельных плоcкоcти cечения, cледует увеличивать коэффициент теплопередачи на границах, попадающих в плоcкоcть сечения, а для того чтобы это не привело к неадекватному температурному распределению, следует увеличить теплопроводность материала отливки в твердом cоcтоянии. Для правильного выбора величин коэффициентов теплопередачи и теплопроводности следует cначало сделать тепловой расчет такого сечения, которое удовлетворяет всем принятым ограничениям, а затем, по раcчитанным температурным полям и времени затвердевания, подобрать теплопроводность и теплоотдачу таким образом, чтобы температурные поля и время затвердевания в "некорректном" расчете cоответветcтвовали температурным полям и времени затвердевания "правильного" расчета. Если имеются экспериментальные температурные кривые, позволяющие получить доcтаточно полное предcтавление о температурных полях, то подбор можно производить прямо по ним, минуя cтадию промежуточного "правильного" раcчета.

Усадочная пористость

Усадочной пористостью называют скопления мелких пустот, образующихся в результате усадки при затвердевании небольших объемов металла, изолирующихся в процессе формирования отливки от источников питания жидким металлом.

Формирование пор происходит на микроструктурном уровне и связано с фильтрацией жидкого металла между твердыми кристаллами в области затвердевания.

Усадочная пористость делится на следующие виды:

1) рассеянная. распределенная более или менее равномерно по всему объему отливки;

2) зональная, сосредоточенная в определенных зонах или частях отливки: а) в осевых частях плоских и призматических элементов, отливок; б) в утолщениях и сопряжениях стенок; в) в зонах местных разогревов при подводе литников.

Развитие пористости в утолщениях и зонах местных разогревов зависит от размера изолированного бассейна жидкого металла. Если их размеры велики, усадочные пустоты приобретают характер раковин.

Для выявления и исследования усадочной пористости применяются следующие методы.

1. Просвечивание проникающими излучениями. В качестве проникающих излучений применяются рентгеновские или гамма-лучи. Проходя через слой металла, имеющий пустоты, эти лучи ослабляются в меньшей мере, чем проходя через сплошной слой металла. Попадая на фотопленку, расположенную с противоположной поверхности, они дают теневую проекцию зон пористости. Метод имеет распространение как средство контроля ответствен­ных отливок.

2. Определение плотности. В этом случае из различных частей отливки вырезают серии образцов. Обычно они представляют собой пластинки толщиной 2—3 мм. Образцы взвешиваются в воде и на воздухе. По этим данным определяют их плотность. Для определения абсолютной величины пористости необходимо знать плотность данного сплава без пор. Для этого изготовляются специальные образцы, заливаемые в пробу в виде клина, получаемую обычно в металлической форме. Сопоставляя плотность образцов из конкретных отливок с плотностью сплава без пор, можно количественно оценить пористость в данной зоне.

Рассеянная пористость образуется в той или иной степени по всему сечению отливки. Каждая пора возникает в результате усадки при затвердевании микроскопического объема жидкого металла, обособленного от зоны локальных перемещений в результате неравномерного роста дендритов. Чем мельче дендриты, тем меньшее развитие получает рассеянная пористость.

10. Процессы формирования структуры в твердом состоянии .