Napjatost v odlitcích

Obr. 2-8 Volné smršťování Obr.2-9 Bržděné smršťování

2.4.4 Celkové objemové smrštění

Celkové objemové smrštění ε

odpovídá součtu objemového smrštění v tekutém stavu ε

, při krystalizaci ε

a v tuhém stavu ε

.

ε

= ε

+ ε

+ ε

= [ ( V

- V

)/V

] . 100, ( 2.9 )

kde značí: V

- objem odlévaného kovu při teplotě lití [m

];

V

- objem ztuhlého odlitku při teplotě okolí T

[m

].

2.5 Napjatost v odlitcích

Napjatost v odlitku se vyskytuje od jeho vzniku až do jeho úplného vychladnutí, popř. v průběhu tepelného zpracování. V počátku tuhnutí se jedná o mechanické namáhání odlitku působením vnějších sil, tj. konstrukcí formy, jádra, vlivem vlastní konstrukce odlitku atd. (bržděné smrštění). Po ztuhnutí odlitku se jedná o namáhání, které je způsobeno fázovým nebo tepelným vnitřním pnutím.

Tepelná pnutí jsou vyvolána nestejnoměrným chladnutím odlitku a pnutí fázová jsou způsobena fázovými přeměnami v odlitku. Vnitřní pnutí v odlitku má podstatný vliv na provozní trvanlivost, bezpečnost a spolehlivost odlitku.

Jeli napjatost odlitku vyšší než jeho mez pevnosti potom dochází

k deformacím, povrchovým a vnitřním vadám, jako jsou trhliny a praskliny.

2.5.1 Smršťovací napětí

Jak již bylo uvedeno, toto pnutí je vyvoláno bržděným smršťováním, které může být způsobeno jednak mechanickým odporem, který klade forma a jádra, jednak silami, které vznikají třením odlitku o formu při jeho smršťování, a jednak metalostatickým tlakem sloupce taveniny, který působí proti vnější smršťující se vrstvě.

Toto smršťovací napětí se projevuje zhruba při vyloučení 20 % tuhé fáze, která tvoří kompaktní skelet, tj. vrstvu na povrchu odlitku, jejíž teplota se pohybuje v intervalu teplot mezi likvidem a solidem.

Po odlití taveniny do slévárenské formy teplota odlitku po celou dobu klesá.

Teplota slévárenské formy v prvním stádiu po odlití taveniny naopak vzrůstá a později klesá podobně jako teplota odlitku. V prvním stádiu po odlití forma dilatuje, tudíž odlitek je formou roztahován, čímž v odlitku vzniká smršťovací pnutí (záleží na konstrukčním řešení formy a odlitku). V tomto okamžiku je pevnost odlitku ještě nižší než pevnost formy a pokud toto smršťovací pnutí překročí pevnost odlitku, v odlitku vzniknou vady – trhliny.

V druhé fázi slévárenská forma i odlitek chladnou. Zvyšuje se pevnost i tažnost odlitku a tudíž už nehrozí vznik trhlin.

Trhliny jsou vady struktury odlitku, které vznikají při teplotách blízkých teplotě solidu odlévané slitiny, pokud pnutí v odlitku způsobené odporem konstrukce formy, jádra atd. překročí hodnotu vnitřní soudržnosti slitiny. Trhlina se šíří po hranicích vzniklých zrn.

2.5.2 Vnitřní pnutí tepelná a fázová

V prvních okamžicích po odlití brání mechanické síly (forma, jádro, atd.) ve smrštění ztuhlé vrstvě. Po ztuhnutí většího objemu kovu, vlivem nehomogenního teplotního pole odlitku, na sebe začnou působit jednotlivé ztuhlé vrstvy, které mají rozdílnou dilataci. V odlitku vzniká vnitřní tepelné pnutí, které v průběhu chladnutí odlitku mění svůj charakter (tahové (+) a tlakové (-) pnutí).

Podstatou vnitřních tepelných pnutí je tepelná roztažnost (smrštivost) kovů a jejich závislost na teplotě. Čím je teplotní pole odlitku homogennější, tím v odlitku vzniká menší vnitřní tepelné pnutí.

Vnitřní tepelné pnutí může být dočasné nebo zbytkové. Dočasné pnutí

vzniká v odlitku, pokud se mění rozdíly teplot jen v oblasti převážně pružných

deformací. Po vymizení rozdílu teplot vymizí i toto pnutí. Zbytkové pnutí vzniká při přechodu odlitku z teplotní oblasti převážně plastických deformací do oblasti převážně pružných deformací. Jeho hodnota vzrůstá s ochlazováním odlitku a nejvyšší hodnoty nabývá po jeho úplném vychladnutí. Čím vyšší byl rozdíl teplot v odlitku při přechodu nejteplejší části odlitku do oblasti převážně pružných deformací, tím vyšší je hodnota zbytkového pnutí. Odlitek neizotermické poddajné konstrukce se deformuje tak, že tlustší části se zkrátí více než tenké, tj.

zdeformovaný odlitek bude mít tlustou část zevnitř zakřivenou. Odlitek neizotermické tuhé konstrukce může prasknout. Tyto praskliny vzniknou v tlusté části odlitku ke konci chladnutí (oblast převážně pružných deformací materiálu odlitku), kdy se pnutí vystupňovává. Tedy za předpokladu, že tahové (popř.

smykové) napětí při dané teplotě překročí pevnost materiálu.

Vnitřní pnutí fázové (transformační) vzniká v chladnoucím odlitku ze slitin, které prodělávají fázovou přeměnu. Je způsobeno objemovou změnou při fázové přeměně ve ztuhlém odlitku. Toto pnutí je charakteristické pro slitiny železa, kde při ochlazování probíhá fázová přeměna (Feα -fáze má větší měrný objem proti fázi Feγ). Při neizotermickém chladnutí odlitků neprobíhá tato fázová přeměna v jednotlivých částech odlitku současně. Transformace fáze γ → α postupuje odlitkem v souladu s měnícím se jeho teplotním polem jako „vlna“, proto se transformační pnutí v odlitku mění s místem i časem - směřuje proti tepelnému zbytkovému pnutí a snižuje ho. Pokud probíhá přeměna γ → α současně v celém objemu odlitku, potom toto pnutí nevzniká. Izotermického chladnutí lze dosáhnout izotermickou konstrukcí odlitku nebo řízeným ochlazováním.

U slitin hliníku nedochází k fázové přeměně, tudíž toto pnutí v odlitcích

nevzniká.

Vzhledem k objemu, v jakém zbytková vnitřní pnutí působí rozlišujeme:

• Pnutí I. řádu (makroskopické pnutí) - toto pnutí působí v části nebo v celém objemu odlitku. Sčítá se s napětím, které vzniká z provozního zatížení odlitku a je pro funkci odlitku nebezpečné. Může se projevit i poruchami souvislosti materiálu odlitku. Hodnota zbytkového vnitřního pnutí se snižuje žíháním na snížení vnitřního pnutí, kdy je odlitek pozvolna ohříván do teplotní oblasti převážně plastických deformací. Na této teplotě setrvá po určitou dobu (dle tloušťky stěny odlitku) a následuje pozvolné ochlazení tak, aby při přechodu do oblasti převážně pružné deformace měl odlitek homogenní teplotní pole. V oblasti převážně pružných deformací lze odlitek ochlazovat poměrně rychle, aniž by to mělo vliv na výsledné zbytkové pnutí;

• Pnutí II. řádu (mikroskopické pnutí) – působí v celém objemu jednotlivých krystalů a vyrovnává se v mikroobjemech. Může být příčinou vzniku mikrotrhlin;

• Pnutí III. řádu (submikroskopické pnutí) – působí v objemu jedné nebo několika elementárních mřížek. Jeho zdrojem jsou poruchy atomové mřížky (cizí atomy, dislokace, atd.). V makroměřítku se neprojevuje žádným účinkem.

Zbytkové pnutí v určitém bodě tělesa je vždy součtem všech tří uvedených druhů pnutí. Většina slévárenských slitin jsou heterogenní materiály složené z různých složek, které se při zpracování chovají rozdílně. V atomové mřížce vzniká velké množství nepravidelností (vakance, dislokace, atd.), dochází k difuzi atomů a přeměně jednotlivých strukturních složek (nečistoty, karbidy, apod.).

Všechny tyto jevy mají vliv na vznik pnutí.

Z praktického hlediska se pozornost věnována zbytkovému pnutí I.řádu

(makroskopickému pnutí) a zbytková pnutí II. a III. řádu jsou považována za

nepodstatná.