Внутренние напряжения

В   процессе   затвердевания   отливки   температура   отдельных ее участков никогда не бывает одинаковой. Температура поверхности отливки всегда ниже, чем внутренних слоев, тонкие стенки остывают быстрее толстых. Стержни и болваны, окруженные металлом, быстро прогреваются и затрудняют отвод тепла от соприкасающихся с ними стенок отливки, части отливок, примыкающие к литниковой системе и прибылям, остывают медленнее и т. д. Поскольку   температура    и     скорость охлаждения отдельных участков   одной и той же отливки не одинаковые, то и величина  их  усадки должна была  бы быть  различной.  Однако все части отливки являются единой жесткой системой и размеры их не могут изменяться независимо одна  от другой.   Одни элементы отливки, препятствуя свободной усадке других,  оказывают друг  на друга   силовое воздействие. В результате в отливке возникают внутренние напряжения.

Если укрепить три упругие пружины, две из которых длиной 1 и одна длиной 2, двумя поперечными планками так, что пружины длиной будут растянуты, а длиной сжата, то их средняя длина  станет несколько меньше, чем длина средней пружины 2, и больше длины крайних В этом случае крайние пружины будут упруго растянуты, т. е. находиться под влиянием растягивающих напряжений, а средняя пружина будет упруго сжата, в ней возникнут сжимающие напряжения. Если удалить крайние пружины, то расстояние между поперечинами снова станет равным, т. е. средняя пружина займет исходное положение. Наоборот, если удалить среднюю пружину, то положение системы изменится таким образом, что размеры крайних пружин сократятся до первоначальных размеров. В данном случае размеры системы изменятся только под влиянием внутренних напряжений, без воздействия внешних сил. Аналогичное напряженное состояние получается в отливке в результате неравномерного нагрева или охлаждения ее частей.

Температурными называют напряжения, которые возникают при неравномерной и разновременной усадке в различных частях отливки. Они могут возникать при неравномерном распределении температуры по сечению стенки отливки или же в различных ее частях.

В большинстве отливок, изготовляемых в разовых песчано-глинистых формах, температурные напряжения действуют одновременно с механическими, вызываемыми неравномерным механическим торможением усадки отливки стержнями и болванами, отдельными участками формы, зажатыми между выступающими частями отливки, а также элементами литниковой системы, выпорами, прибылями, заливами по разъемам форм и стержней и т. д.

Поскольку в реальных условиях механические и температурные напряжения  могут действовать в одном и том же  направлении, то  вероятность    разрушения   отливок увеличивается. Механические напряжения увеличиваются с уменьшением податливости формовочной смеси, поэтому в сухой, более жесткой форме, они всегда больше, чем в сырой. Под податливостью обычно понимают способность образца смеси деформироваться, чаще всего сжиматься, при усадке отливки. Податливость тем больше, чем меньше прочность формовочных и стержневых смесей при нормальной и высокой температуре, а сопротивление усадке оболочковых   стержней значительно меньше, чем сплошных.

Различный удельный объем продуктов фазовых превращений, происходящих в процессе затвердевания и кристаллизации материала отливок, обуславливает возникновение между отдельными частями отливки упругих деформаций и соответственно фазовых напряжений.

Фазовыми называют напряжения, возникающие из-за неодновременного протекания фазовых и структурных превращений в отливке, а также из-за различных свойств сплава в разных ее частях.

В зависимости от материала отливки, ее конструкции и условий охлаждения знак фазовых напряжений может совпадать или быть, противоположным знаку температурных напряжений. Например, в наружных или более тонких частях отливки, охлаждающихся быстрее, фазовые превращения закончатся раньше, чем во внутренних пли более толстых частях. При дальнейшем охлаждении и протекании фазовых превращений объем более нагретых частей отливки может увеличиваться, что приведет к сжатию внутренней (или большей толщины) части отливки и растяжению наружной (или тонкой) части. В результате к растягивающим напряжениям в части большей толщины добавятся сжимающие фазовые, а к сжимающим в тонкой — добавятся растягивающие фазовые. Подобная картина наблюдается, например, в чугунных отливках, где увеличение объема более массивных частей отливки вызывается процессом выделения графита, проходящего наиболее полно в больших сечениях.

По продолжительности действия внутренние напряжения делятся па временные и остаточные. Временными считают напряжения, возникающие в отливке под воздействием временных факторов и исчезающие по прекращении их действия. Например, после того как в процессе охлаждения в материале отливки начнут преобладать упругие свойства, механическое торможение усадки может вызвать в ней лишь временные напряжения, исчезающие при выбивке и удалении стержней. Напряжения, полностью или частично остающиеся в отливке после прекращения действия вызвавших их факторов, называют остаточными.