В ходе кристаллизации и последующего снижения температуры отливок в форме неизбежно проявляются эффекты усадки.
В условиях реального литейного процесса данное сокращение объемов практически всегда ограничено. Это означает, что естественному уменьшению размеров при охлаждении постоянно препятствуют внешние факторы. Как следствие, из-за неравномерного сжатия внутри отливки формируются внутренние напряжения.
Напряжения, развивающиеся в момент первичного остывания изделия в форме, классифицируют как литейные. При этом они могут принимать как характер сжатия, так и характер растяжения. Если металл в процессе охлаждения проходит через фазовые переходы, сопровождающиеся изменением удельного объема, то из-за теплового торможения процесса возникают фазовые напряжения.
Если интенсивность напряжений в определенной зоне отливки превысит текущую прочность материала, произойдет его разрушение. Дефекты структуры, возникающие при воздействии высоких температур, принято называть горячими трещинами, а при снижении до комнатных значений — холодными.
Интенсивность литейных напряжений определяется коэффициентом теплового расширения, модулем упругости и температурным градиентом в сечении. Величина температурного градиента, в свою очередь, обусловлена составом сплава, геометрией отливки, технологией производства и теплофизическими параметрами самой формы.
Путем регулирования вышеперечисленных параметров можно целенаправленно влиять на уровень напряжений, возникающих в отливке.
Напряжения, проявляющиеся в теле отливки в конкретный момент времени, называют временными. Если их воздействие приводит лишь к упругим деформациям, то после окончательного охлаждения и стабилизации температуры они исчезают полностью. Однако если при текущем распределении температур происходят пластические деформации, то после выравнивания температурного поля фиксируются остаточные напряжения, обычно имеющие знак, противоположный временным напряжениям высокого температурного уровня.
Остаточные напряжения в заготовке могут суммироваться с эксплуатационными нагрузками в конструкции, провоцируя её разрушение даже при том, что номинальные усилия значительно ниже предела прочности. Кроме того, длительное воздействие остаточных напряжений способно вызвать недопустимые геометрические искажения (например, в узлах станков).
Внутренние временные напряжения, сопутствующие затвердеванию и охлаждению, разделяют на три типа: усадочные, фазовые и термические.
В зависимости от условий охлаждения литейные сплавы могут генерировать остаточные напряжения различной величины. Для их количественной оценки используют технологические пробы. Принцип всех проб заключается в том, что при остывании в определенных участках возникают напряжения, которые после механического разрезания проявляются в виде деформаций. Измеряя эти деформации, можно рассчитать величину напряжений, действовавших до момента резки.
Классическим примером пробы служит рамка или скоба, состоящая из одного массивного бруска и одного-двух тонких элементов, объединенных в жесткую систему. Поскольку тонкие элементы остывают быстрее массивного, их усадка больше, что создает в них растягивающие напряжения, а в толстом бруске — сжимающие. Сначала это вызывает упругие, а затем пластические деформации.
По завершении охлаждения температура всех элементов пробы становится одинаковой. Возникшие пластические деформации (сжимающие в толстом и растягивающие в тонких брусках) препятствуют возврату материала к исходным размерам. В итоге в массивном бруске фиксируются остаточные растягивающие напряжения, а в тонких — сжимающие.
После остывания на массивном бруске наносят две метки, расстояние между которыми фиксируется. Затем брусок разрезают в промежутке между метками. Под действием остаточных растягивающих сил концы массивного бруска расходятся. Сравнивая расстояние между метками до и после разрезания, можно вычислить заторможенную упругую деформацию. На основе модуля упругости и параметров пробы по значению деформации рассчитывается величина остаточного напряжения.
