Затвердевания на структуру и механические свойства стальных отливок

Определение взаимосвязи параметров затвердевания и

Свойств металла в отливках

Для литых деталей машиностроения характерным является наличие неоднородности механических свойств в теле отливки. Снижение механических свойств ниже технических условий приводит к уменьшению ресурса работы детали, а возможно к серьезной аварии. Основными факторами, отвечающими за снижение уровня механических свойств, являются: физическая неоднородность (микротрещины, пористость, усадочные раковины), структурная неоднородность (размер зерна, количество и характер фаз, различные структурные зоны), химическая неоднородность (неравномерное распределение ликвирующего компонента, наличие вредных примесей). Регулирование формирования неоднородности в стальных отливках возможно при применении специальных дорогостоящих мероприятий. Также существует возможность прогнозирования механических свойств в объеме литой детали, при помощи математического моделирования.

При проектировании крупных стальных отливок энергомашиностроения для оценки конструктивной прочности применяются справочные данные о кратковременных механических свойствах ( ). Справочные данные не определяют параметры надежности и технического ресурса детали. Необходимо располагать информацией, определяющей надежность работы детали. Такими данными являются различные показатели микро- и макроструктуры, неоднородность которой во многом определяет технический ресурс отливки.

Известные методы математического моделирования[20] процессов питания и затвердевания отливок, реализуемые в САПР литейной технологии на стадии проектирования, не позволяют прогнозировать плотность литого металла и значения кратковременных механических свойств( ).

Для количественной и качественной оценок параметров затвердевания исследователи используют различные критерии. Некоторые из них подробно проанализированы в работе [15]. Р. Намюр предложил оценивать степень направленности затвердевания в виде:

                            dt_з^.\dx = c ^. m,                              (12.12)

где m – масса металла, которая должна подаваться в конец зоны влияния прибыли; c – коэффициент, зависящий от гидравлических характеристик.

Питание возможно лишь в точках, где достаточен градиент времени затвердевания (14.13). Условие направленности затвердевания, предложенное Ю.А. Нехендзи, выражается отношением:

                                              t_з1 / t_з2 = К,                                    (12.13)

 где t_з1 – время затвердевания прибыли; t_з2 – время затвердевания отливки;

К = 1,1…1,4.

В работе [18] для оценки степени направленности затвердевания в отливке введено понятие относительного временного градиента в виде:                                 

                        ,                                 (12.14)

где G-относительный временной градиент затвердевания;

- продолжительность затвердевания металла соответственно в исследуемой точке отливки и в точке, отстоящей на расстояние , в направлении питания отливки[19].

Для исследования необходимо обеспечить возможность непосредственного измерения механических свойств и градиентов затвердевания в тех же самых точках образца. Для тех же образцов необходимо также иметь расчетное распределение временного градиента затвердевания. Наиболее достоверно величина направленности затвердевания может быть оценена для осевой части отливки-образца. Чтобы исключить влияние торца в образцах для испытаний были отлиты конические пробы, достаточно протяженные.

Таким образом, образцы для испытаний характеризуются определенным временным градиентом, продолжительностью затвердевания, пористостью и различными вариантами микроструктуры. Наличие различной пористости (за счет различной конусности) даст возможность исследовать ее влияние на скорость распространения трещин в литом материале, характеризующемся определенными технологическими параметрами. На рис 12.19. представлен вид пробы и схема вырезки образца для испытаний. В табл. 12.2 представлены размеры проб и технологические параметры затвердевания. Схема вырезки образцов приведена на рис.12.19 в продольном сечении. Расстояние от торца до места вырезки образца зафиксировано размером i₁.

Таблица 12.2

Значения расчетных параметров образцов

круглого сечения, вырезанных из конических проб

Исследования также проводились на экспериментальных плитах, выре­зались образцы в поперечном и продольном направлениях. Технологические параметры определялись методом термического анализа. Результаты представлены в таблицех 14.2-14.3.

Таблица 12.3

Рис. 12.19. Коническая проба и схема вырезки образца для испытаний