4.5. Трещины в отливках, их классификация

Трещины представляют собой дефект в виде местного или полного разрушения отливки в определенном сечении, вызванного тем, что напряжения растяжения превосходят предел прочности металла. Трещины в зависимости от температурного состояния отливки делят на горячие и холодные. Первые из них образуются вблизи температуры кристаллизации, когда под затвердевшим слоем сохраняется металл в двухфазном состоянии. Холодные трещины образуются после завершения процесса формирования отливки (для сталей и чугунов при температурах ниже 700°С). Классификацию трещин проводят по следующим признакам: горячие трещины имеют в разрыве черную окисленную поверхность, холодные - блестящую поверхность обычно с цветами побежалости.

Силы, тормозящие усадку металла и приводящие к образованию трещин, разделяют на пассивные, рис.4.5,а и активные, рис.4.5,б.

Рис. 4.5. Схема действия сил, тормозящих усадку металла: пассивных (а), активных (б)

Пассивные силы действуют во время торможения усадки металла формой, обладающей ограниченной податливостью, или на стадии охлаждения разнотолщинных элементов отливки с разной скоростью (когда возникают термические напряжения). Величина пассивных сил может значительно понижаться за счет пластической деформации.

Активные силы являются следствием возникающих упругих деформаций в отдельных частях отливки, давлений на затвердевающий металл, например, при литье под давлением, центробежном и др.

Склонность сплавов к образованию горячих трещин в отливках оценивают на технологических пробах, рис. 4.6.

Рис. 4.6. Схемы технологических проб для испытаний сплава на трещиноустойчивость

Оценку производят по следующим показателям:

1) по критической длине образца, при которой в металле образуется трещина. В конструкции образца, рис.4.6,а имеется тонкий и массивный элементы, последний из них является тепловым узлом, в нем и возникает трещина. Из сплава отливают серию образцов разной длины. Чем длиннее тонкая часть образца, тем больше ее деформация и выше уровень напряжений в тепловом узле. Длина образца, начиная с которой в металле образуются горячие трещины, является показателем трещиноустойчивости сплава (чем больше длина, тем выше этот показатель). Трещиноустойчивость сплава можно также оценить по образцу с распоркой, рис.4.6,б. Чем больше расстояние распорки от основания П-образного образца, тем больше плечо, способное противодействовать напряжениям изгиба, тем ниже показатель трещиноустойчивости; .

2) по размерам трещины (длине, ширине, площади) и количеству трещин на образце в форме кольца, отливаемого с применением металлических (неподатливых) стержней разного диаметра, рис.4.6,в;

3 ) по критической нагрузке, при которой в образце образуется трещина.

Пробы с тепловым узлом и с распоркой используют для черных сплавов, пробы, имеющие форму колец - для цветных.

Показатели трещиноустойчивости сплавов зависят от механических свойств сплава (предела прочности, модуля упругости, пластичности) в области высоких температур, рис. 4.7.

Рис. 4.7. Зависимость механических свойств сплавов от температуры Тs

Модуль упругости сплавов Е (определяет развитие напряжений) и предел прочности (является критерием при разрыве) имеют очень низкие значения в области температур кристаллизации, например Е≈(0.1-0.15)Е_0. (Е₀-модуль упругости при нормальной температуре).

При охлаждении отливок ниже T_S показатели и Е растут. Пластичность сплава δ при температурах, близких к T_S, быстро понижается, что связано с оплавлением межзеренных границ. В интервале температур солидус-выливаемость пластические свойства очень низкие и поэтому эту область температур называют интервалом хрупкости; при температуре T_В пластичность сплава высокая. Интервал хрупкости соответствует температурам образования горячих трещин. При охлаждении затвердевшего сплава до температур, близких к солидусу, уровень механических свойств быстро нарастает, при дальнейшем охлаждении скорость их нарастания снижается, а пластичность δ при достижении некоторой температуры начинает быстро понижаться. При температурах ниже солидуса на 160-200 °C прочность и пластичность сплава оказываются недостаточными для того, чтобы производить выбивку отливок без их разрушения.