Литейные дефекты и способы их устранения

Лакедемонский А.В., Кваша Ф.С., Медведев Я.И. и др.

Машиностроение, 1972 г.

ХОЛОДНЫЕ ТРЕЩИНЫ

При охлаждении стальных отливок ниже интервала температур 620—650° С и чугунных ниже 400—650 С в их материале преобладают упругие свойства. Трещины, образующиеся в отливках в период преобладания в их материале упругих свойств, называют холодными. Деление трещин на горячие и холодные условно, гак как по механизму образования холодные трещины почти не отличаются от горячих.

Холодными трещинами называют слабо заметное нарушение целостности отливки, большей частью со светлой, зернистой, часто цвета побежалости поверхностью излома. Холодные трещины обычно имеют правильные очертания, так как при их образовании разрушение происходит по зернам, а не по их границам (рис. 46, б). Ширина их обычно незначительна, так как пластичность сплавов в период их образования мала и возможности для деформации отливки ограничены.

Холодные трещины образуются в зоне растягивающих напряжений и располагаются преимущественно в острых углах и других местах концентрации напряжений. Причиной образования холодных трещин являются остаточные напряжения, возникающие в отливке при ее охлаждении. Кроме того, на образование холодных трещин влияют и временные напряжения.

Холодные трещины, вызываемые остаточными напряжениями, появляются при эксплуатации отливок под действием нагрузок, значительно меньших расчетных. Практически они могут возникнуть даже без воздействия внешних сил — при очистке, транспортировке или механической обработке.

Вероятность образования холодных трещин зависит от характера нагружения отливки, величины действующих в ней остаточных напряжений, пластических и прочностных свойств сплавов. Таким образом, в зависимости от условий нагружения образование холодных трещин тем вероятнее, чем меньше прочность или пластичность материала.

Условия образования холодной трещины рассмотрим на примере отливки шкива с ободом малого сечения и спицами большого диаметра (рис. 52,). Подобные отливки часто получаются с искаженными размерами, большими напряжениями и трещинами. При изготовлении шкивов из углеродистой стали в них возникают преимущественно температурные, а не фазовые напряжения. Непосредственно после заливки скорость охлаждения обода будет значительно выше, чем более массивных спиц и ступицы. Если бы обод был отделен от спиц, то вследствие своей усадки эти элементы шкива заняли бы положение, соответствующее рис. 52.

Однако поскольку спицы и обод соединены в одну систему, то спицы будут иметь некоторую среднюю длину (рис. 52,). При этом спицы будут сжаты (укорочены), а возникающие в них напряжения погашены пластическими деформациями. Некоторым удлинением обода в данном случае можно пренебречь. По мере дальнейшего охлаждения шкива наступит момент, когда и в спицах начнут преобладать упругие свойства. После этого вся система приобретает большую жесткость и сокращение в размерах любого из ее элементов должно вызвать соответствующие упругие деформации и напряжения в соседнем.

Если бы теперь спицы охлаждались отдельно от обода, то, поскольку их температура выше, чем обода, абсолютная величина их усадки была бы больше и между ними и ободом должен был бы образоваться зазор (рис. 52, IV).Однако поскольку отливка представляет собой единую систему, то после окончательного остывания отливки спицы окажутся упруго растянутыми и в них будут действовать растягивающие напряжения, а в ободе — сжимающие. Если обод шкива недостаточно жесткий, то он может прогнуться, что приведет к браку по короблению. Если же обод обладает достаточной жесткостью, то напряжения в спицах могут превысить допускаемую величину и в отливке по спицам возникнут холодные трещины (рис. 52, V).

В качестве другого примера рассмотрим условия охлаждения и возникновения холодной трещины в отливке из ковкого чугуна ступицы легкового автомобиля. Она состоит из двух частей — относительно массивной втулки и диска малого сечения (рис. 53). Вследствие того, что в первый период охлаждения отливки диск остывает быстрее втулки, к моменту перехода чугуна всей отливки в упругое состояние разность температур между втулкой и диском составляет 80° (рис. 54). В результате после полного остывания отливки возникают температурные остаточные напряжения, растягивающие во втулке и сжимающие в диске и приводящие к образованию холодных трещин.

На образование холодных трещин могут оказывать влияние также и временные температурные напряжения. Так, в данном случае ступицу выбили через 2,5 мин после охлаждения ее втулки до 620° С. При этом вследствие ускорения охлаждения отливки через 37 мин после заливки разность температур между втулкой и диском возросла до 135°. Разность температур 135° — 80° = 55° была вызвана ускорением остывания диска и привела к возникновению временных температурных напряжений сжатия во втулке и растяжения в диске. В данном случае остаточные и временные напряжения имеют противоположные знаки. Так как температурные напряжения прямо пропорциональны разности температур, то остаточные напряжения в детали будут больше временных в — = 1,3 раза. Кроме того, напряжения

тем больше, чем выше модуль упругости материала. Временные напряжения достигают в данном случае максимума   через   37 мин   с начала охлаждения, когда температура детали 300—400° С и упругость белого чугуна меньше, чем при комнатной температуре. Вследствие этого временные напряжения невелики. Следовательно, в обычных цеховых условиях на образование холодных трещин временные напряжения влияют в меньшей степени, чем остаточные.

Как указывалось, вероятность образования трещин тем больше, чем меньше пластичность и прочность сплавов. Поэтому при равных остаточных температурных напряжениях в отливках из стали, серого и белого чугуна наибольшая опасность образования холодных трещин в менее пластичном белом чугуне.