铸造金属凝固原理第18章 应力、变

第18章应力、变形及裂纹

Stress,distortionandcracking应力是变形和裂纹的根源

应力→变形→裂纹。瞬时（临时、暂时）应力和残余应力内应力产生原因

热应力

收缩、膨胀受到阻碍相变应力

机械应力应力对工件的影响

变形、裂纹、腐蚀、疲劳、降低加工精度。16.2铸件在冷却过程中产生的热应力热应力的产生过程原因铸件各部分冷却速度不一致，在同一时刻引起的收缩量不一致，但各部分又彼此相联，相互制约，因而产生了内应力。分析假设

（1）两部分从同一温度TH开始冷却到T0；

（2）TK为临近温度；

（3）无固态相变，无机械阻碍；

（4）线胀系数和弹性模量不随温度变化。冷却曲线：冷却前期杆Ⅱ的冷却速度比杆Ⅰ快。冷却后期必然是杆Ⅰ的冷却速度比杆Ⅱ快。分析t0：TⅠ=TⅡ=TH，l0+ε0

t0～t1：TⅠ>TK，l0+d1a1

TⅡ>TK，l0+d1b1→l0+d1c1无应力。t1～t2：TⅠ>TK，l0+d2c2

TⅡ<TK，b2c2=b1c1t2～t3：TⅠ<TK，l0-a3c3→l0残余拉应力

TⅡ<TK，l0+b3c3→l0残余压应力总结：铸件厚壁处或高温处，收缩后滞，在冷却后期收缩受阻，产生残余拉应力，而薄壁处产生残余压应力。

影响残余热应力的因素厚杆Ⅰ所受的拉力为：薄杆Ⅱ所受的压力为：金属性质的影响金属的弹性模量合金材料的线收缩（膨胀）系数合金的导热性能铸型性质的影响铸型的蓄热系数愈大，铸件冷却速度愈快，引起的温差愈大，因此产生的热应力也愈大。例如金属型比砂型容易引起更大的热应力；砂型提前打箱虽然可以减小铸件收缩阻力，但却能造成较大的热应力。浇注条件的影响铸件结构的影响：热均匀加热时的热应力铸件加热过程，由于铸件各部分温度上升不均匀，也会产生热应力。这种热应力往往是临时热应力。与原来的残余热应力符号一致。如果总应力大于铸件在该温度下的强度极限，铸件就要在厚部或内部产生开裂。即使铸件各部分温度上升比较均匀，也可能出现裂缝。这是因为合金强度因温度上升而降低的速度大于应力消失速度。16.3铸件在冷却过程中产生的相变应力产生

固态相变发生的时刻不同，各部分相变程度不同。钢材加热冷却时的体积变化分析普通碳钢缓慢冷却时，铸件中不致产生相变应力，因为的相变是在塑性高温区完成的。铸件各部分温度均匀一致，相变同时发生，则可能不产生宏观应力，而只有微观应力。如铸件各部分温度不一致，相变不同时发生，则会产生相变应力，并且根据发生相变的温度不同，可以是临时应力也可以是残余应力。应力符号因合金的性质，铸件的结构和冷却条件不同，可能与热应力符号一致或相反。当符号相同或相变应力本身数值过大时，铸件也会产生裂缝。厚壁铸件相变应力的分析

表面淬火时→外层压应力，内层拉应力，与热应力相同。总结

凡产生相变的合金,若相变前后两相的比容相差很大，同时产生相变的温度低于塑性向弹性转变的温度，都会在铸件中产生大的相变应力。

16.4铸件在冷却过程中产生的机械阻碍应力金属在冷却过程中转入弹性状态以后，因收缩受到机械阻碍而产生机械阻碍的来源铸型、芯退让性差箱档和芯骨的作用铸件防裂筋、飞边浇冒系统拉伸、压缩或剪切应力，暂时应力。危害16.5减小或消除铸造应力的途径减小铸造应力的措施和途径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。铸型方面冷却过程中温度分布均匀；预热铸型，如型壳、金属型；提高铸型和型芯的退让性。浇注条件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；控制冷却时间；打箱时间要合适。改进铸件结构壁厚均匀；连接处圆滑过渡；厚薄壁逐渐过渡。消除铸件中残余应力的方法热处理

将工件加热到塑性状态的温度，并在此温度下保温一段时间，利用蠕变产生新的变形，使应力消除，再缓慢冷却。

加热温度和时间→材料、工件结构、冷却条件自然时效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。共振时效调整振动频率，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。变形

工件形状、尺寸与图样不符；

铸造变形、焊接变形、热处理变形变形的原因工件某一温度下承受的应力大于该温度下材料的屈服极限残余应力→不稳定→变形。16.6铸件的变形变形的种类弯曲变形扭曲变形翘曲变形局部变形16.7铸件的冷裂冷裂：铸件处于弹性状态时，铸造应力超过合金的强度极限而产生。特征：外形呈连续直线状或圆滑曲线，而且常常是穿过晶粒而不是沿晶界断裂。冷裂纹断口干净，具有金属的光泽或呈轻微的氧化色。

影响因素：与应力影响因素一致致脆因子合金的成分；熔炼质量；铸件的组织和塑性出现白口增大脆性石墨的形态长期在高温下工作的铸铁石墨变长变粗磷共晶铸造缺陷

16.8防止铸件产生变形和冷裂的途径铸件产生变形和冷裂的共同原因是铸件在冷却过程中由于前述各种原因而产生的铸造应力，当铸造应力超过金属的屈服极限并产生塑性变形时，就会出现变形或挠曲现象，如铸造应力超过强度极限，即产生冷裂。因此要防止铸件产生变形和冷裂最根本的办法还是从防止铸件产生铸造应力入手，或将铸造应力减少至最小程度。前节所述防止铸造应力的方法都可以应用于防止变形和冷裂的产生。工艺方法上防止变形的措施反变形量；改变铸件结构，减少收缩阻力；控制铸件打箱时间。打箱过早，铸件内外温差增大，应力增加，变形加剧。生产条件允许时尽量晚打箱，铸件在型内冷却温度分布均匀、应力小，减少了变形。但结构复杂的铸件，铸型退让性不良，过迟打箱反而增加收缩应力，对重要易变形的零件，采取早打箱，立即放入炉内闷火的方法效果良好。设置拉筋在铸造应力集中的部位设置拉筋，使其接受一部