автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка метода определения усадочных деформаций и линейной усадки стальных отливок при охлаждении

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Матвеев Игорь Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСАДОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ И ЛИНЕЙНОЙ УСАДКИ СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК

ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ

Специальность: 05. 16. 04. - "Литейное производство"

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители -доктор технических наук, профессор И.В.Грузных, кандидат технических наук, доцент М.А. Дружевский

С.-Петербург-1999

ОГЛАВЛЕНИЕ стр.

Введение..................................................................... 5

Глава 1. Состояние вопроса

1.1 Факторы определяющие развитие действительной усадки

1.1.1 Влияние состава стали на ее усадку..........................................................................\ \

1.1.2 Влияние конструкции отливки на усадку стали....................................14

1.1.3 Влияние технологических факторов на усадку......................................17

1.2 Анализ существующих методов определения усадки стали

1.2.1 Теоретические и экспериментальные методы оценки линейной усадки....................................................................... 23

1.2.2 Существующие методы реологического описания процессов при литье................................................................... 26

1.2.3 Способы задания исходной информации об отливке, необходимые для расчета усадочных деформаций............... 28

1.3 Исследование деформируемости различных марок сталей...... 31

1.4 Заключение и постановка задачи исследования......................... 34

Глава 2. Разработка расчетно-экспериментальной методики определения реологических характеристик стали при охлаждении

2.1 Выбор реологической модели и проверка ее адекватности

2.1.1 Построение обобщенной реологической модели при охлаждении стальной отливки................................................. 36

2.1.2 Особенности поведения стали при охлаждении отливки

2.1.2.1 Реологическая модель стали во втором температурном интервале и проверка ее адекватности.................. 47

2.1.2.2 Реологическая модель стали для третьего интервала

охлаждения и проверка ее адекватности.......................

2.2 Разработка расчетно-экспериментальной методики опреде-

лепия реологических, характеристик

2.2.1 Выбор экспериментального образца и условие проведения эксперимента................................................................. 56

2.2.2 Экспериментальная установка и алгоритм обработки данных................................................................................ 58

Глава 3. Разработка методики расчета деформированного состояния отливки при охлаждении

3.1 Методика определения температурного поля в выбранном

сечении отливки.........................................................................

3.2 Разработка алгоритма определения усадочных деформаций отливок..................................................................................................

Глава 4. Изучение реологических свойств сталей 20Л и 20ХГНТЛ при охлаждении отливки

4.1. Изучение напряженно-деформированного состояния экспериментальных образцов при охлаждении................................... 90

4.2. Изучение реологических характеристик сталей при охлаждении отливки.......................................................................... 106

Глава 5. Расчет напряженно-деформированного состояния отливок

5.1. Проверка адекватности разработанной методики опреде-

ления усадочных деформаций.................................................... 116

5.2. Определение напряженно-деформированного состояния отливок колесного типа

5.2.1 Анализ температурных условий формирования отливки типа «Чаша»................................................................. 123

5.2.2 Результаты расчета напряженно-деформированного состояния и действительной усадки отливки типа «Чаша............................................................................... 130

Выводы...................................................................... 137

Список литературы.................................................... 139

Приложение................................................................ 149

ВВЕДЕНИЕ

Проблема повышения эффективности машиностроительного производства, во многом определяется качеством и себестоимостью изготовления литых заготовок деталей машин.

По ГОСТ 15467-79 качество продукции - есть совокупность её свойств, обуславливающих способность удовлетворять определенные потребности в соответствии с назначением.

Трудности управления качеством стальных отливок связаны с одновременным протеканием разнородных и взаимосвязанных литейных процессов, одновременный анализ которых представляет весьма трудную задачу. Особую актуальность эта проблема приобретает для крупных стальных отливок ответственного назначения в части их размеры и геометрическая точность.

В условиях индивидуального и мелкосерийного производства, среди многих технологических факторов, влияющих на размерную точность отливок, особое значение имеет правильное задание размера литейной усадки, которую получает отливка после полного охлаждения в форме [13]. Наряду с этим усадка отливок, как известно, порождает целый ряд явлений, которые неблагоприятно сказываются на их качестве. Среди наиболее распространенных литейных сплавов сталь характеризуется особой усложненностью кинетики развития линейной усадки, более широким температурным интервалом ее развития, большой величиной усадки. Все это обуславливает относительно большую распространенность различных деформационных дефектов в стальных отливках, наносящих значительный урон качеству.

Действительная усадка обычно уменьшается по сравнению со свободной за счет образования в отливке пластической деформации растяжения. С увеличением усилий торможения усадки возрастает пластическая деформация и как следствие - уменьшается действительная усадка. Одновременно с этим при одной и той же степени торможения усадки, чем пластичнее металл, тем меньше действительная усадка отливки [33].

Общая картина охлаждения отливок в литейной форме характеризуется, как известно, его неравномерностью, что обусловлено, главным

образом, особенностями конструкции отливок. Следствием такого режима охлаждения является соответственная неравномерность протекания линейной усадки в различных областях отливок и вытекающее из этого в каждый момент неравномерное распределение по отливке усадочных деформаций. Такое положение всегда играет весьма существенную роль в формировании качества отливок.

Обычно с затрудненной усадкой связывают появление таких дефектов, как горячие и холодные трещины, коробление и остаточные напряжения, несоответствие отливок геометрическим размерам.

Используя различные литейные технологии можно приблизить размеры и конфигурацию заготовки к готовой детали, что позволит обеспечить понижение расхода металла на деталь, уменьшить количество станкочасов, затрачиваемых на механическую обработку и сократить производственный цикл. Стабильность размеров отливок, можно сказать, является одним из ключевых вопросов, которые решаются в литейном производстве.

Рассматриваемые усадочные деформации по своему характеру представляют собой всегда сумму пластической и упругой составляющих, то есть являются упругопластическими. Одновременно с этим в области высоких температур несомненно имеет место явление ползучести и весьма активно развивается релаксационный процесс, приводящий к накапливанию остаточной деформации. По мере понижения температуры отливки при охлаждении свойства стали претерпевают неизбежные изменения, в соответствии с чем изменяются, в частности, величина и соотношение между пластической и упругой составляющими усадочных деформаций, происходит замедление релаксационных процессов. Все это накладывает вполне определенный отпечаток на напряженно-деформированное состояние отливки в каждый данный момент ее охлаждения [ 37 ].

Исследованиями, проведенными на кафедре физико-химии литейных сплавов и процессов (ФХЛСиП) показано, что в процессе развития деформации в стенках отливок происходит генерирование и передвижение дислокации, часть из них подвергается аннигиляции, часть скатываются к границам зерен и уходят из зерна. В результате, по мере охлажде-

ния отливки, изменяется количество и плотность дислокаций в ней в меньшую или большую сторону, в зависимости от интенсивности развития усадочных деформаций. Скопление дислокаций около включений или границ зерен могут стать источниками зарождения пор или микротрещин. Под влиянием литейных напряжений при дальнейшем охлаждении указанные микродефекты могут инициировать образование холодных трещин в отливках.

Знание величины линейной усадки в реальных условиях позволяет получать отливки с меньшими отклонениями в размерах, а следовательно, и с минимальными припусками на механическую обработку.

Для литого металла характерным является неравномерность строения и механических свойств, что существенно влияет на конструкционную прочность отливок. Наряду с этим в металле почти полностью сохраняются все последствия первичной кристаллизации, такие как: характер и форма неметаллических включений, газоусадочная пористость, дефекты кристаллических решеток, дислокации и другие. Особое место среди дефектов структуры занимают дислокации [ 56, 72, 74, 78 ], которые в процессе усадки играют значительную роль в механизме формирования пластической деформации и прочности металла [21, 62, 72 ].

Обычно с затрудненной усадкой связывают появление таких дефектов, как горячие и холодные трещины, коробление и остаточные напряжения, несоответствие отливок геометрическим размерам. Этим вопросам посвящено много теоретических и экспериментальных работ [ 6, 60, 76, 107 ], работами кафедры ФХЛСиП экспериментально установлено значительное влияние линейной усадки на строение стальных отливок и их механические свойства.

Итак, линейная усадка стальных отливок и сопровождающие ее упруго - пластические деформации оказывают большое влияние на развитие и образование горячих трещин, напряжений, размерную точность, механические свойства и структуру, т.е. формируют качество отливки в целом.

Как видно, существует большая необходимость дальнейшего изучения кинетики и количественных характеристик усадочных деформаций развивающихся в отливках в процессе их охлаждения в литейной форме

для более точного определения технологических условий получения отливок без деформационных дефектов. Знания конечных величин усадочных упруго-пластических деформаций необходимо и для определения действительной усадки отливок на более высоком уровне точности.

Целью работы является уменьшение затрат на производство отливок и повышение их качества путем создания универсального метода определения линейных усадок в стальных отливках при их охлаждении и исследование условий формирования усадочных деформаций.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1.Выбрать реологические модели поведения стали во всем температурном интервале охлаждения отливки, позволяющем с достаточной точностью моделировать напряженно-деформированное состояние охлаждающейся отливки.

2.Выявить закономерности изменения эффективных значений реологических характеристик стали в зависимости от температуры.

3.Разработать расчетно-экспериментальный метод определения реологических характеристик стали при охлаждении.

4.Разработать математическую модель развития усадочных деформаций в реальных отливках.

5.Разработать расчетный метод определения усадочных деформаций и линейной усадки стальных отливок во всем температурном интервале охлаждения.

Научная новизна работы

В рамках разработанных моделей, описывается процесс развития упруго-пластических усадочных деформаций в фасонной отливки, что позволяет использовать полученную методику для рационального назначения линейной усадки и прогнозирования возникновения деформационных дефектов, при охлаждении отливки.

•На основании физического представления^ определены закономерности поведения усадочных деформаций и построены математические

модел^развития усадочных деформаций в отливках,на каждом температурном интервале охлаждения.

•Предложена, теоретически обоснована и экспериментально подтверждена реологическая модель, поведения стали в процессе развития усадочных деформаций в отливках на трех этапах охлаждения.

•На основе выявленных теоретических положений разработан рас-четно-экспериментальный метод определения реологических свойств сталей на двух этапах охлаждения. Причем, реологические характеристики отражают реальное поведение стали происходящее при охлаждении отливок в реальных условиях.

•Разработан расчетный метод определения усадочных деформаций и линейной усадки в отливках колесного типа.

Практическая ценность работы заключается в разработке рекомендаций повышения качества стальных отливок за счет предотвращения образования в них деформационных дефектов.

На защиту выносятся:

1 .Реологическое описание поведения стали при охлаждении в литейной форме на различных этапах формирования отливок.

2.Методика определения реологических характеристик сталей на различных этапах охлаждения на основе численного расчета и экспериментального определения упруго-пластических деформаций.

3.Методика определения упруго-пластических деформаций, на основе численного моделирования развития деформаций, позволяющая анализировать условия возникновения деформационных дефектов.

4.Математическая модель развития упруго-пластических деформаций и линейной усадки для фасонных отливок колесного типа.

Публикации По теме диссертационной работы опубликовано 5 работ. Материалы диссертации приведены в отчете по гранту (грант мэрии Санкт-Петербурга по направлению «Машиностроение» за 1998 г. номер М98-3.4К-137).

Объем и структура диссертации Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературных источников, приложения. Работа изложена на ПО страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок, 9 таблиц и приложение на 3 страницах. Список литературных источников содержит 123 наименования работ советских и зарубежных авторов.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Факторы определяющие развитие действительной усадки

1.1.1. Влияние состава стали на ее усадку

Механизм влияния состава стали на линейную усадку складывается из следующих звеньев: 1) из влияния на коэффициенты усадки твердых растворов аустенита и феррита; 2) влияние на температуру превращения аустенита и, как следствие, на изменение интервалов развития усадки до превращения и после превращения аустенита и на величину эффекта превращения; 3) влияние на структуру, которую получает сталь в конце охлаждения [ 31 ].

Одной из первых работ, где изучалась усадка углеродистой стали в зависимости от степени торможения являются исследования Кербера и Шитцковского .

В работах Трубицина Н.А. [ 107-108, 110-111 ] также изучалось влияние С на линейную усадку стали при различной степени торможения. Автором установлено, что в области высоких температур сталь с различным содержанием углерода имеет различную величину свободной и затрудненной усадки, понижение величины линейной усадки происходит за счет пластической деформации стали.

Из работ посвященных изучению свободной линейной усадки стали большую часть занимают работы по усадке углеродистой стали [ 34, 75, 85, 107, 122 ].

Систематические исследования по определению влияния углерода на величину линейной усадки было приведено в работах [ 31, 34, 37, 86 ]. В [ 31 ] установлено, что при увеличении содержания углерода до 0.250.30 % линейная усадка понижается, затем несколько увеличивается (при содержании углерода до 1.0 %), дальнейшее введение углерода вызывает незначительное снижение усадки. При этом общий характер изменения линейной усадки, подобен изменению коэффициента линейного расши-

рения стали. Полученные в работе [ 122 ] зависимости показывают, что с увеличением содержания углерода от 0.06 до 0.50 % полная усадка и усадка до превращения у—монотонно уменьшаются. Наблюдающееся расширение при превращении у—хх с увеличением содержания углерода объясняется выделением избыточного феррита и выделением растворенного цементита.

При исследовании влияния легирующих элементов на процесс и величину линейной усадки стали авторами работ [ 86 ] было найдено, что характер изменения линейной усадки определяется, в основном, изменениями происходящими при структурных превращениях. Кроме того, необходимо учитывать фактор изменения коэффициента термического сжатия аустенита или феррита при введении легирующих элементов и температурного интервала развития этапов усадки.

Все легирующие элементы и углерод понижают температуру начала линейной усадки , но по-разному влияют на температурный интервал развития усадки превращения (-)Аз и А4. Так, увеличение содержания С, №, Мп, Сг ( до 8 % ) повышают температуру превращения (■) А4 ( т.е. расширяют температурную область существования у фазы) и понижают (•) АЗ (соответствует превращению у-хх в чистом Бе ) [ 40, 81 ].

Велечина затрудненной усадки, как и свободной, при повышении содержания