铸造应力的定义

千里之行，始于脚下。第2页/共2页精品文档推荐铸造应力的定义一、铸造应力的定义、分类和危害

1、定义：

铸造应力(castingstress)：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.按应力形成的缘由分：

(1)热应力(thermalstress)：铸件各部分厚薄不同，在凝固和其后的冷却过程中，冷却速度不同，造成同一时刻各部分收缩量不全都，铸件各部分彼此制约，产生的应力。

(2)相变应力(phasetransformationstress)：固态发生相变的合金，因为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)机械妨碍应力(mechanismhinderedstress)：铸件收缩受到铸型、型芯、箱挡和芯骨等机械妨碍所产生的应力。

B.按应力存在的时光分：

(1)暂时应力(temporarystress)：产生应力的缘由消逝，应力便消逝。

(2)残余应力(residualstress)：产生应力的缘由消退后，仍然存在的应力。

3、应力的危害：

铸造应力和铸件的变形对铸件质量的危害很大。铸造应力是铸件在生产、存放、加工以及使用过程中产生变形和裂纹的主要缘由，它降低铸件的使用性能。例如，当机件工作应力的方向与残余应力的方向相同时，应力叠加，可能超出合金的强度极限，发生断裂。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

在不考虑机械妨碍时，该合金铸件中的瞬时应力就是热应力。以应力框为例(图9-1),研究瞬时应力的进展过程。

应力框由杆I，杆Ⅱ以及横梁Ⅲ组成。为便于研究，作如下假设：

1)金属液弥漫铸型后，立刻停止流淌，杆I和杆Ⅱ从同一温度tL开头冷却，最后冷却到室温t0。

2)合金线收缩开头温度为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)铸件收缩不受铸型妨碍。

5)横梁Ⅲ是刚性体。

图9-1b为杆I和杆Ⅱ的冷却曲线。开头冷却时，两杆具有相同的温度tL，最后又冷却到同一温度t0。因为杆I较厚，冷却前期杆Ⅱ的冷却速度大于杆I，而后期必定是杆I的冷却速度比杆Ⅱ快。在囫囵冷却过程中，两杆的温差变化如图9-1c所示。

近期的讨论工作表明，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。

瞬时应力的进展过程可分四个阶段加以说明，如图9-1d所示。

第一阶段(τ0～τ1)：tⅡty。杆Ⅱ开头线收缩，而杆I仍处于凝固初期，枝晶骨架尚未形成。明显，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。

其次阶段(τ1～τ2)：tⅡ

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τ2时，温差又减小到ΔtH。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(9—2)可以看出，从τ1到τ3，两杆的自由线收缩量相等。由于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，铸件处于彻低卸载状态。

第四阶段(τ3～τ4)：杆I的冷却速度仍然比杆Ⅱ快，即杆I的自由线收缩速度大于杆Ⅱ。从τ3到τ4两杆自由线收缩的差值为：

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。

应当指出，合金在高温时，特殊是在固相线以上，屈服极限很低，铸件内产生的应力很简单超出屈服极限，发生塑性变形，使彻低卸载时刻早于τ3。

对于圆柱形铸件，内外层冷却条件不同，开头时外层冷却较快，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。按照上述分析可知，冷却到室温时，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、相变应力和机械妨碍应力的代数和。此应力值大于金属在该温度下的强度，铸件就会产生裂纹。

机械妨碍应力普通在铸件落砂后即消逝，是暂时应力。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，缘由之一是与金属的弹性模量有关(表9—1)。

(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，奥氏体不锈钢因为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)相变热效应转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。金属型比砂型简单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匀称，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，减小机械妨碍。可采纳以下详细措施：

1、合金方面

在零件能满足工作条件的前提下，挑选弹性模量和收缩系数小的合金材料。

2、铸型方面

为了使铸件在冷却过程中温度分布匀称，可在铸件厚实部分放置冷铁，或采纳蓄热系数大的型砂，也可对铸件特殊厚大部分举行强制冷却，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。也可在铸件冷却过程中，将铸件厚壁部位的砂层减薄。

预热铸型可减小铸件各部分的温差。在熔模铸造中，为了减小铸造应力和裂纹等缺陷，型壳在浇注前被预热到600～900℃。

为了提高铸型和型芯的退让性，应减小砂型的紧实度，或在型砂中加入适量的木屑、焦炭等，采纳壳型或树脂砂型，效果尤为显著。

采纳细面砂和涂料，可以减小铸型表面的摩擦力。

3、浇注条件

内浇口和冒口的位置应有利铸件各部分温度的匀称分布，内浇口布置要同时考虑温度分布匀称和阻力最小的要求。

铸件在铸型内要有足够的冷却时光，尤其是采纳水爆清砂时，不能打箱过早，水爆温度不能过高。但对一些外形复杂的铸件，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

避开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，热节要小而簇拥。

五、消退残余应力的办法

铸件中的残余应力可以通过以下一些办法消退。

1、人工时效(artificialageing)

去除残余应力的热处理温度和保温时光应按照合金的性质、铸件结构以及冷却条件不同而作不同的规定。但普通逻辑是将铸件加热到弹塑性状态，在此温度下保温一定时光，使应力消逝，再缓慢冷却到室温。

确定热处理规范应注重的是，在铸件升温柔冷却过程中力求其各处温度匀称，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，但从生产实际动身，为了提高生产效率，加热和冷却速度均不应过小，保温时光不易过长，要按照详细状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。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。退火后去掉楔铁，按照缺口大小，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(naturalageing)

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，应力渐渐自然消逝，称此消退应力办法为自然时效。

铸件中存在残余应力，必定使晶格发生畸变，畸变晶格上的原子势能较高，极不稳定。长久经历不断变化的温度作用，原子有足够时光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，应力消退。

这种办法虽然费用低，但最大缺点是时光太长，效率低，近代生产很少采纳。

3、共振时效(resonanceageing)

共振时效的原理是：调节振动频率，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、消逝。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，应力消逝。

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、动应力和激振时光。

(1)共振频率确实定。调节振动器的频率，振动器频率与工件固有频率全都时