Файл: Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. Технологические основы повышения надежности машин.pdf

совин, шлаковых и газовых раковин, влияние усадки и дефектов

вцелом на долговечность деталей. Особенно важной задачей является создание научных, методологических основ контроля качества металла и технической их приемки.

Основные дефекты металлов и их классификация. Дефекты

вметалле могут быть различного происхождения. Одни из них зарождаются в процессе начальной стадии формирования

детали (литье, поковки, штамповки); другие — при последую­ щих операциях технологического процесса (сварка, термическая обработка, механическая обработка), причем некоторые дефек­ ты по ходу технологического процесса уничтожаются (несоот­ ветствие структуры и др.), и наоборот, при дальнейшей обра­ ботке к первоначальным дефектам металла могут прибавляться новые (например, трещины при термической обработке).

Основными дефектами в металлах являются раковины, трещины, волосовины, флокены, неметаллические включения, дефекты поверхности, несоответствие по размерам, химическому составу, механическим и физическим свойствам, структуре.

Раковины в основном являются дефектом литья. Различают

в виде сыпи и могут иметь различную глубину залегания. Очень распространен дефект, называемый «ситовидной пористостью» (водородные раковины). Это мелкие раковины удлиненной формы с гладкой поверхностью, расположенные на глубине 2—3 мм, которые иногда выходят на поверхность отливки в виде тончайших каналов. Этот дефект легко обнаруживается после термической обработки отливки. Основной причиной образова­ ния газовых раковин в стальных отливках является применение сырой шихты, сырых формовочных материалов и недостаточная газовая проницаемость форм.

Песчаные раковины — это открытые (наружные) или закры­ тые (внутренние) полости в теле отливки, заполненные частично или полностью формовочным материалом. Одной из причин образования песчаных раковин является размывание стенок формы потоком расплавленного металла.

Механическая работа, производимая потоком и приводящая к разрушению канала, определяется по формуле

где а — коэффициент пропорциональности; т — масса металла, проходящего по каналу; V — скорость металла.

Скорость V для вязкой жидкости определяется по формуле

ѵ = цУ'2 gh,

где р, — коэффициент гидравлического сопротивления; g — ускорение силы тяжести;

h — гидродинамический напор.

Расход металла G кг/с является таким же важным фактором в явлении разрушения канала, как и линейная скорость потока. Подставляя в уравнение механической работы вместо ѵ ее вели­

ковин вследствие размыва формы, как это видно из последнего уравнения, не может иметь такого распространения, как при производстве крупных отливок. Из этого уравнения следует, что площадь сечения канала / надо назначать максимальной при сохранении жидкотекучести металла.

Для расчета времени, в течение которого металл сохраняет способность движения, в гидродинамике расплавленного метал­ ла предлагается зависимость

где a и b — постоянные коэффициенты (для среднеуглеродистой стали при песчаной форме a = 0,25; b = 0,1);

t — температура перегрева;

h — гидродинамический напор;

г — радиус или половина толщины стенки, заполняе­ мой металлом.

Длина /, на которую расплавленный металл со скоростью те­ чения может заполнить канал постоянного сечения (мера жид­ котекучести), определяется равенством / = хѵ (где ѵ — скорость течения металла).

Таким образом, время заполнения фасонной формы и длина перемещения расплава (без учета дополнительных сопротивле­

ний, встречаемых потоком жидкого металла) почти пропорци­ ональны квадрату радиуса или половины толщины стенки, запол­ няемой металлом. Это положение необходимо учитывать при проектировании литых деталей. Чрезмерно малые толщины сте­ нок могут привести к незаполнению формы, что, как правило, приводит к неисправимым дефектам отливок.

Во избежание земляных раковин необходимо применять формовочные смеси соответствующей механической прочности. Шлаковые раковины представляют собой открытые (наруж-

Рис. 74. Поперечный разрез пита­ теля:

Î — первичная усадочная ракови­ на; 2 — вторичная усадочная рако­ вина

Z

иые) или закрытые (внутренние) полости в теле отливки, пол­ ностью или частично заполненные шлаком. Раковины могут быть одиночными, гнездовыми или в виде сыпи. Шлаковые ра­ ковины образуются преимущественно вследствие попадания в литейную форму шлака или размытой потоком металла поверх­ ности формы или литникового канала. Шлаковые раковины по своим геометрическим размерам весьма разнообразны (от очень крупных до раковин микроскопических).

Для предупреждения образования шлаковых раковин необ­ ходимо тщательно выполнять футеровку разливочных ковшей, просушивать и прокаливать желоб, ковши и стопорное устрой­ ство; подобрать в соответствии с маркой стали облицовочные смеси и краски, не образующие легкоплавкой эвтектики с окис­ лами стали; выдерживать металл в ковше перед заливкой для удаления шлака.

теле отливки. Усадочные раковины обычно имеют шерохова­ тую или грубокристаллическую поверхность, иногда окислен­ ную. Располагаются они чаще всего в утолщенных местах пере­ хода от толстого к более тонкому сечению отливки (рис. 74). Местное скопление мелких, а иногда и микроскопических уса­ дочных раковин, обычно не связанных между собой, называется рыхлотой или пористостью; если по форме эти пустоты прибли­ жаются к сферическим, то такой вид соответственно называют «булавочные уколы».

Причиной образования усадочных раковин является неравно­ мерное охлаждение металла в процессе затвердевания и умень­ шение удельного объема Ѵу металла при охлаждении (рис. 75). По мере заполнения формы расплавленный металл достаточно быстро охлаждается (коэффициент теплообмена текущего жид­ кого металла в 60 раз больше, чем у воды) и жидкотекучесть его (величина, обратная вязкости) быстро снижается.

Трещины возникают в результате больших напряжений, пре­ восходящих предел прочности металла. Для уменьшения терми-

веских трещин надо стремиться к уменьшению термических на­ пряжений, которые зависят от состава стали, скорости охлаждения (увеличение скорости охлаждения вызывает увеличение термических напряжений), величины сечения, плавности пере­ хода от одного сечения детали к другому (рис. 76), равномер­ ности нагрева и охлаждения (чем менее равномерен нагрев, тем больше напряжение), размера зерна.

Волосовины имеют вид длинных тонких линий. Газовые и шлаковые раковины могут иметь различную глубину залегания и при горячей механической обработке (прокатка, ковка) дают микроскопические трещины, вытянутые по направлению дефор­ мации металла. Эти микроскопические трещины-волосовины мо­ гут залегать на любой глубине. Особую опасность волосовины представляют для листового проката, так как в этом случае ме­ талл не способен сопротивляться ударным нагрузкам и теряет пластические свойства.

Флокенами называются мельчайшие внутренние надрывы — трещины, образующиеся при особых условиях производства в легированной стали и представляющие собой один из наиболее опасных ее пороков. Флокены сравнительно редко встречаются в литой стали. Гораздо чаще присутствие их обнаруживается в стали после горячей обработки давлением и особенно в тех слу­

чаях, когда охлаждение кованых или катаных заготовок not горячей обработки производится относительно быстро.

Кислая мартеновская сталь, как правило, менее часто пор

высокоуглеродистые легированные стали аустенитного, феррит­

вызываются растворенным в жидкой стали водородом. Неметаллические включения могут быть растворимыми в ос­

новной массе металла, тогда они дают твердый раствор повы­ шенной концентрации в ликвационных местах, и нерастворимы­

Из рассмотренных основных дефектов металлов каждый посвоему влияет на служебные свойства изделий. В дефектологии часто приходится прибегать к экспериментам на реальных об­ разцах и устанавливать эталоны допустимых дефектов. Количе­ ство и величина каждого дефекта должны определяться для данной детали допустимыми пределами и фиксироваться в тех­ нических условиях на изготовление и приемку заготовок и де­ талей.

Наиболее широкое применение в промышленности получили неразрушающие испытания методами радиографии (просвечи­ вание рентгеновскими, гамма-лучами), ультразвуковой и магни­ топорошковой дефектоскопии, контроль по магнитным и элект­ ромагнитным характеристикам, электроиндуктивный контроль с помощью вихревых токов и дефектоскопия проникающими жид­ костями. В настоящее время неразрушающие испытания стали предметом специальной технической дисциплины — неразруша­ ющей дефектоскопии. Для исследования космического прост­ ранства необходимо решать сложные задачи в области контро­ ля материалов, конструкций и обеспечения их качества и на­ дежности. В связи с этим значительно усовершенствуются ранее известные методы, применяются комплексные процессы неразрушающего контроля, включающие несколько разных ме­ тодов для решения одной задачи, вместе с тем появились и прин­ ципиально новые методы неразрушающего контроля. Необхо­ димость в новых методах была обусловлена внедрением новых материалов и производственных процессов и требованием по­