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材料成形工艺原理,材料成形系 高文理,第十三章 铸造应力 第一节 铸造应力 第二节 热裂 第三节 冷裂,第九章 铸造应力Casting Stress 第一节 铸造应力 一、铸造应力的定义、分类和危害 1、定义： 铸造应力(casting stress)：金属在凝固和冷却过程中体积变化受到外界或其本身的制约，变形受阻，而产生的应力2、分类： A. 按应力形成的原因分： （1） 热应力(thermal stress)： 铸件各部分厚薄不同， 在凝固和凝固后的冷却过程中，冷却速度不同，造成同一时刻各部分收缩量不一致，铸件各部分彼此制约，产生的应力2) 相变应力(phase transformation stress)： 固态发生相变的合金，由于铸件各部分冷却条件不同，它们到达相变温度的时刻不同，且相变的程度也不同而产生的应力 (3)机械阻碍应力(mechanism hindered stress)： 铸件收缩受到铸型、型芯、箱挡和芯骨等机械阻碍所产生的应力B. 按应力存在的时间分： （1）临时应力(temporary stress)：产生应力的原因消失，应力便消失 （2）残余应力(residual stress)：产生应力的原因消除后，仍然存在的应力。

有残余应力的铸件，放置日久或经机械加工后会变形，使机件失去精度产生变形的铸件可能因加工余量不足而报废，为此需要加大加工余量 在大批量流水生产时，变形的铸件在机械加工时往往因放不进夹具而报废 此外，挠曲变形还降低铸件的尺寸精度，尤其对精度要求较高的铸件，防止产生变形尤为重要二、金属凝固和冷却过程中产生的应力 以应力框为例(图9-1)，讨论瞬时应力的发展过程 在不考虑机械阻碍时，该合金铸件中的瞬时应力就是热应力 应力框由杆I，杆Ⅱ以及横梁Ⅲ组成为便于讨论，作如下假设：,假设条件： 1) 金属液充满铸型后，立即停止流动，杆I和杆Ⅱ从同一温度tL开始冷却，最后冷却到室温t0 2) 合金线收缩开始温度为ty，材料的收缩 系数α不随温度变化 3) 铸件不产生挠曲变形 4) 铸件收缩不受铸型阻碍 5) 横梁Ⅲ是刚性体图9-1b为杆I和杆Ⅱ的冷却曲线开始冷却时，两杆具有相同的温度tL，最后又冷却到同一温度t0由于杆I较厚，冷却前期杆Ⅱ的冷却速度大于杆I，而后期必然是杆I的冷却速度比杆Ⅱ快在整个冷却过程中，两杆的温差变化如图9-1c所示近期的研究工作表明，合金的温度低于液相线以后，其变形由弹性变形、塑性变形和粘弹性变形组成，且以弹性变形为主。

这样，铸件在冷凝过程中，收缩一旦受阻，就产生应力瞬时应力的发展过程可分四个阶段加以说明，如图9-1d所示合金线收缩开始温度为ty 第一阶段(τ0～τ1)：,tⅡty杆Ⅱ开始线收缩，而杆I仍处于凝固初期，枝晶骨架尚未形成显然，此时铸件的变形由杆Ⅱ确定，杆Ⅱ带动杆I一起收缩到τ1时，两杆具有同一长度，温差为ΔtH，铸件不产生应力第二阶段(τ１～τ２)： tⅡty ,tⅠty此时杆I温度也已降到ty以下，开始线收缩，在τ１时两杆具有相同长度在以后的冷却过程中，两杆的温差沿图9-1c中ab变化，到τ２时两杆温差最大，为Δtmax从τ1到τ2，两自由线收缩量的差为： 式中： α——线收缩系数， L——杆长 即杆Ⅱ要比杆I多收缩α（Δtmax- ΔtH）L 但两杆彼此相连，始终具有相同长度，故杆Ⅱ被拉长，杆I被压缩这样，在杆Ⅱ内产生拉应力，在杆I内则产生压应力到τ２时，应力达到极大值，该阶段为应力增长阶段第三阶段(τ2～τ3)： 两杆的温差逐渐减小，到τ3时，温差又减小到Δt H 在此阶段，杆I的冷却速度大于杆Ⅱ，即杆I的自由线收缩速度大于杆Ⅱ从τ2到τ3，两杆自由线收缩量的差值为： 从式中可以看出，从τ1到τ3，两杆的自由线收缩量相等。

因为假定铸件只产生弹性变形，所以到达τ3时，两杆中的应力值均为零这样，在第三阶段，两杆中的应力逐渐减小，到τ3时，铸件处于完全卸载状态在此阶段，杆I 被拉长，故产生拉应力，杆Ⅱ则相反，产生压应力 到τ4时(室温)，铸件内存在残余应力，杆Ⅱ内为压应力，杆I 内为拉应力应该指出，合金在高温时，特别是在固相线以上，屈服极限很低，铸件内产生的应力很容易超出屈服极限，发生塑性变形，使完全卸载时刻早于τ3对于圆柱形铸件，内外层冷却条件不同，开始时外层冷却较快，后来则相反因此，外层相当于应力框中的细杆，内部相当于粗杆根据上述分析可知，冷却到室温时，圆柱形铸件内部存在残余拉应力，外层存在残余压应力三、影响铸造应力的因素 铸件在凝固和冷却过程中，所受的应力为热应力、相变应力和机械阻碍应力的代数和此应力值大于金属在该温度下的强度，铸件就会产生裂纹 机械阻碍应力一般在铸件落砂后即消失，是临时应力残留应力往往是热应力和相变应力残留应力与下列因素有关： 1、金属性质方面 (1) 金属的弹性模量越大，铸件中的残余应力就越大例如，铸钢、白口铁和球铁的残余应力比灰口铸铁的大，原因之一是与金属的弹性模量有关(表9—1)。

表9-1 一些铸造合金的弹性模量,,(2) 铸件的残余应力与合金的自由线收缩系数成正比图9—2是几种材料从0—600℃的线膨胀曲线当其它条件相同时，奥氏体不锈钢由于α值大，其残余应力比铁素体不锈钢的要大50％3) 合金的导热系数直接影响铸件厚薄两部分的温差值 合金钢比碳钢具有较低的导热性能，因此在其它条件相同时，合金钢具有较大的残余应力相变对残余应力的影响表现在以下两个方面： a) 相变引起比容的变化， b) 相变热效应改变铸件各部分的温度分布 2、铸型性质方面 铸型蓄热系数越大，铸件的冷却速度越大，铸件内外的温差就越大，产生的应力则越大金属型比砂型容易在铸件中引起更大的残余应力3、浇注条件 提高浇注温度，相当于提高铸型的温度，延缓了铸件的冷却速度，使铸件各部分温度趋于均匀，因而可以减小残余应力 4、铸件结构 铸件壁厚差越大，冷却时厚薄壁温差就越大，引起的热应力则越大四、减小应力的途径 减小铸造应力的主要途径是针对铸件的结构特点在制定铸造工艺时，尽可能地减小铸件在冷却过程中各部分的温差，提高铸型和型芯的退让性，减小机械阻碍可采用以下具体措施： 1、合金方面 在零件能满足工作条件的前提下，选择弹性模量和收缩系数小的合金材料。

2、铸型方面 (1) 使铸件在冷却过程中温度分布均匀: (a) 可在铸件厚实部分放置冷铁，或采用蓄热系数大的型砂; (b) 可对铸件特别厚大部分进行强制冷却，即在铸件冷却过程中，向事先埋没在铸型内的冷却器吹入压缩空气或水气混合物，加快厚大部位的冷却速度2) 提高铸型和型芯的退让性: 减小砂型的紧实度，或在型砂中加入适量的木屑、焦炭等，采用壳型或树脂砂型，效果尤为显著 采用细面砂和涂料，可以减小铸型表面的摩擦力3、浇注条件 (1)内浇口和冒口的位置应有利铸件各部分温度的均匀分布，内浇口布置要同时考虑温度分布均匀和阻力最小的要求 (2)铸件在铸型内要有足够的冷却时间，尤其是采用水爆清砂时，不能打箱过早，水爆温度不能过高但对一些形状复杂的铸件，为了减小铸型和型芯的阻力，又不能打箱过迟4、改进铸件结构 铸件结果设计要避免产生较大的应力和应力集中铸件壁厚差要尽可能地小，厚薄壁连结处要合理地过渡，热节要小而分散五、消除残余应力的方法 铸件中的残余应力可以通过以下一些方法消除 1、人工时效(artificial ageing) 去除残余应力的热处理温度和保温时间应根据合金的性质、铸件结构以及冷却条件不同而作不同的规定。

但一般规律是将铸件加热到弹塑性状态，在此温度下保温一定时间，使应力消失，再缓慢冷却到室温确定热处理规范应注意的是，在铸件升温和冷却过程中力求其各处温度均匀，以免温差过大产生附加应力，造成铸件变形或冷裂 为此，铸件升温，冷却速度不宜过快，但从生产实际出发，为了提高生产效率，加热和冷却速度均不应过小，保温时间不易过长，要根据具体情况制定既有较高生产效率，又不产生较大附加热应力的最佳热处理规范环形试样： 在确定某合金铸件的热处理规范时，可用同种合金铸成许多尺寸相同的环形试样，环上开有同样尺寸的缺口，并在缺口处楔入楔形铁，使环处于应力状态(图9—3)，然后将试样放入加热炉内按不同规范退火环形试样： 退火后去掉楔铁，根据缺口大小，可知应力减小程度楔铁能自由地从缺口中取出的规范为最佳热处理规范2、自然时效(natural ageing) 将具有残余应力的铸件放置在露天场地，经数月至半年以上，应力慢慢自然消失，称此消除应力方法为自然时效 铸件中存在残余应力，必然使晶格发生畸变，畸变晶格上的原子势能较高，极不稳定长期经受不断变化的温度作用，原子有足够时间和条件发生能量交换，原子的能量趋于均衡，晶格畸变得以恢复，铸件发生变形，应力消除。

这种方法虽然费用低，但最大缺点是时间太长，效率低，近代生产很少采用3、共振时效(resonance ageing) 共振时效的原理是：调整振动频率，使铸件在具有共振频率的激振力作用下，获得相当大的振动能量 在共振过程中，交变应力与残余应力叠加，铸件局部屈服，产生塑性变形，使铸件中的残余应力逐步松弛、消失同时也使处在畸变晶格上的原子获得较大能量，使晶格畸变恢复，应力消失共振时效 激振器主要由振动台和控制箱组成工作时，把振动器牢固地夹在工件的中部或一端(小件则装在振动台上) 其主要工艺参数是，共振频率、动应力和激振时间1) 共振频率的确定调整振动器的频率，振动器频率与工件固有频率一致时，振幅达到最大值，此时的频率就是共振频率 (2) 动应力接近35Pa时能获得最大效益3) 激振时间应依据铸件的原始条件和处理过程中的实际条件而定重量大的铸件处理时间要长一些共振时效具有显著的优越性： 时间短，费用低，功率小；一马力的振动器可处理50t以上铸件 省能源，无污染，机构轻便，易操作，铸件表面不产生氧化皮，不损害铸件尺寸精度．该方法对箱、框类铸件效果尤为显著，但对盘类和厚大铸件效果较差，有待进一步完善．,第二节 热 裂(Hot Tearing) 一、热裂特征和分类 热裂是铸件生产中最常见的铸造缺陷之一。

热裂的外观特征如图9—4所示，裂纹表面呈氧化色(铸钢件裂纹表面近似黑色，铝合金呈暗灰色)，不光滑，可以看到树枝晶(图9—5)裂纹是沿晶界产生和发展的(图9—6)，外形曲折热裂分为外裂和内裂在铸件表面可以看到的裂纹称为外裂，其表面宽，内部窄，有时贯穿铸件整个断面 外裂常产生在铸件的拐角处、截面厚度有突变或局部冷凝慢且在凝固时承受拉应力的地方 大部分外裂用肉眼就能观察到，细小的外裂需用磁力探伤或其它方法才能发现；内裂需用x射线，γ射线或超声波探伤检查内裂产生在铸件内部最后凝固的部位，也常出现在缩孔附近或缩孔尾部(图9—7)外裂容易发现，若铸造合金的焊接性能好，铸件经补焊后仍可以使用，若焊接性能差，铸件则报废 在铸件中存在任何形式的热裂纹都严重损害其机械性能，使用时会因裂纹扩展使铸件断裂，发生事故 因此，任何铸件皆不允许有热裂内裂隐藏在铸件的内部，不易发现，故它的危害性更大 因此，了解和分析热裂的形成过程及其影响因素，对于防止热裂的产生，获得健全铸件具有重要的意义二、热裂形成机理 热裂形成的机理主要有液膜理论和强度理论 1、液膜理论 研究表明，合金的热裂倾向性与合金结晶末期晶体周围的液体性质及其分布有关。

铸件冷却到固相线附近时，晶体周围还有少量未凝固的液体，构成液膜温度越接近固相线，液体数量越少，铸件全部凝固时液膜即消失如果铸件收缩受到某种阻碍，变形主要集中在液膜上，晶体周围的液膜被拉长当应力足够大时，液膜开裂，形成晶间裂纹 因此，液膜理论认为，热裂纹的形成是由于铸件在凝固末期晶间存在液膜和铸件在凝固过程中受拉应力共同作用的结果 液膜是产生热裂纹的根本原因，而铸件收缩受阻是产生热裂纹的必要条件。