铸造内应力、变形和裂纹

1、铸造内应力、变形和裂纹铸件完全凝固后便进入了固态收缩阶段，若铸件的固态收缩受到阻碍，将在 铸件内部产生应力，称为铸造应力。它是铸件产生变形和裂纹的基本原因。1 铸造应力的形成按照应力产生的原因，将铸造应力分为热应力和机械应力两种。(1) 热应力热应力是由于铸件壁厚不均或各部分冷却速度不同，使铸件各部分的收缩 不同步而引起的。它在铸件落砂后仍然存在于铸件内部，是一种残留应力。1) 残留热应力的形成现以框形铸件为例，分析残留热应力的形成过程。如图 3.12 中 1) 图所示 的框形铸件，由一根粗杆I和两根细杆II组成。假设铸件完全凝固后，两杆从 卄温度T固开始冷却，最后达到同一温度To,两杆的固态冷却曲线如图3.12 中2) 图所示。 Tk 为临界温度，在此温度以上铸件处于塑性状态。在此状态下， 较小的应力可使铸件发生塑性变形，变形之后应力可自行消除；在温度以下, 铸件处于弹性状态，在应力作用下将产生弹性变形，变形之后应力还继续存在。 IM.M a)b)2小框形铸件热应力形成过程表示H（应力T同IItoL t2图3. 12 I . II杆固态冷却曲线t3时间/客下面用图 3.12 中图 2

2、）所示的冷却曲线来分析热应力的形成过程。当铸件处于高温阶段（t-t）时，两杆都处于塑性状态，尽管此时两杆的冷速不同、收缩 01也不同步，但瞬时的应力可通过塑性变形来自行消失，在铸件内无应力产生；继 续冷却，冷速较快的杆ii进入弹性状态，粗杆I仍然处于塑性状态（t-t），12此时由于细杆 II 的冷速较快、收缩较大，所以细杆 II 会受到拉伸，粗杆 I 会受 到压缩（图b）,形成暂时内应力，但此内应力很快因粗杆i发生了微量的受压 塑性变形而自行消失（图C）；当进一步冷至更低温度时（t-t ），两杆均进入23了弹性状态，此时由于两杆的温度不同、冷却速度也不同，所以二者的收缩也不 同步，粗杆 i 的温度较高，还要进行较大的收缩，细杆 ii 的温度较低，收缩已 趋于停止，因此粗杆 i 的收缩必定受到细杆 ii 的阻碍，使其收缩不彻底，在部 产生拉应力；而杆II则受到杆I因收缩而施与的压应力（图d）。直到室温， 残留热应力一直存在。总之，铸件壁厚不均或各部分冷却速度不同使铸件的厚壁处或心部受拉应力、 薄壁或表层受压应力，且随着铸件壁厚差的增大、各部分冷却速度差的不同、铸 造合金线收缩率的提高、以

3、及其弹性模量的增大，铸件的热应力增大。2）残留热应力的预防预防铸件产生热应力的基本措施是减小铸件各部分之间的温度差，使其均匀 冷却。具体为：i）选择弹量模量较小的合金作为铸造合金；ii）设计铸件结构时，力求使其壁厚均匀；i） 采用合理的铸造工艺，使铸件的凝固符合同时凝固原则。如图3.13 为同时 凝固原则示意图。具体方法是将内浇口开在铸件的薄壁处，以减缓其冷却速度；而在铸件的厚壁处 放置冷铁，以加快其冷却速度。总之，铸件采用同时凝固原则可减小其产生应力、 变形和裂纹的倾向；且不必设置冒口，使工艺简化，并节约了金属材料。采用同 时凝固的缺点是在铸件的心部会产生缩孔或缩松缺陷，所以一般只用于普通灰铸 铁和锡青铜铸件的生产。因为灰铸铁产生缩孔和缩松的倾向小；而锡青铜倾向于 粗状凝固，即使采用顺序凝固原则也难于避免缩松缺陷；此外，壁厚均匀的薄壁 件也常采用同时凝固原则。3）残留热应力消除消除铸件残留热应力的方法是对其进行去应力退火处理。即将此铸件加热到塑性状态，保温一定时间后，缓慢冷却至室温，可基本消除其残留铸造应力。2）机械应力机械应力是因铸件的收缩受到铸型或型芯等的机械阻碍而形成的应力，如

4、图 3.14 所示。1 -铸件：2-型芯;3-铸型；4-阻力图3. 14机械应力这种应力是暂时的，在铸件落砂后或机械阻碍消失后会自行消失。2 铸件的变形与防止 （1）变形的产生如前所述，具有残留内应力的铸件，厚的部位受拉应力、薄的部位受压应力。 处于这种状态的铸件是不稳定的，将自发地变形以减小其内应力，以趋于稳定状 态。变形的结果是受拉应力的部位趋于缩短变形、受压应力的部位趋于伸长变形， 以使铸件中的残余应力减小或消除。如图3.15a）为床身铸件，其导轨部分较厚， 受拉应力；其床壁部分较薄，受压应力，于是床身发生朝着导轨方向的弯曲，使 导轨下凹。图3.15b）为一平板铸件，其中心部位散热较边缘要慢，所以受拉应力；边缘处则受压应力，且平板的上表面比下表面冷却得快，于是平板发生了如图所示的变形。a） f床床的挠曲变形图图3斤b）为平板铸件的变形（2）变形的防止为防止变形，应尽可能使铸件的壁厚均匀或使其截面形状对称，如图 3.16中的c）；在铸造工艺上应采取相应措施，力求使其同时凝固；有时，对细长易变形的铸件，在制造模型时，将模型制成与变形方向正好相反的形状以抵消其变图3. 16不同截血件的

5、变形3 铸件的裂纹与防止当铸造内应力超过铸件的强度极限时，铸件便产生裂纹。裂纹是铸件的严重 缺陷，必须设法防止。按照裂纹的形成温度不同，将裂纹分为热裂和冷裂两种。1） 热裂1 ）热裂的产生热裂是在铸件凝固末期的高温下形成的。其形状特征是：裂纹短、缝隙宽、 形状曲折、缝内金属呈氧化色；且裂纹沿晶界产生，外形曲折。因为在凝固末期， 铸件绝大部分已凝固成固态，但其强度和塑性较低，当铸件的收缩受到铸型、型 芯和浇注系统等的机械阻碍时，将在铸件内部产生铸造应力，若铸造应力的大小 超过了铸件在该温度下的强度极限，即产生热裂。热裂是铸钢件、可锻铸铁件以 及一些铝合金铸件的常见缺陷，一般出现在铸件的应力集中部位，如尖角、截面 突变处或热节处等。2）热裂的防止 防止热裂的方法有：i）选择结晶温度范围窄的合金生产铸件，因为结晶温度范围愈宽的合金，其液、 固两相区的绝对收缩量愈大，产生热裂的倾向也愈大。如灰铸铁和球铁的凝固收 缩很小，所以热裂倾向也；但铸钢、铸铝和可锻铸铁的热裂倾向较大。ii）减少铸造合金中的有害杂质，如减少铁-碳合金中的磷、硫含量，可提高铸 造合金的高温强度。iii）改善铸型和型芯的退让性。退让性愈好，机械应力愈小，形成热裂的可能 性愈小。具体措施是采用有机粘结剂配制型砂或芯砂；在型砂或芯砂中加入木屑 或焦炭等材料可改善退让性。iv）减小浇、冒口对铸件收缩的阻碍，内浇口的设置应符合同时凝固原则。（2）冷裂冷裂是铸件在较低的温度下，即处于弹性状态时形成的裂纹。其形状特征是： 裂纹细小、呈连续直线状、裂纹表面有金属光泽或呈微氧化色。冷裂纹是穿晶而 裂，外形规则光滑，常出现在形状复杂的、大型铸件的、受拉应力的部位，尤其 易出现在应力集中处。此外，一般脆性大、塑性差的合金，如白口铁、高碳钢及 一些合金钢等也易产生冷裂纹。防止冷裂的方法是设法减小铸造应力和降低铸造 合金的脆性。如尽量减小铁-碳合金中的磷含量，可降低其脆性；且铸件在浇注 之后，也勿过早落砂。

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