第十一章 铸造应力、变形及冷裂纹

第十一章铸造应力、变形及冷裂一、基本概念铸造应力：液态金属在型腔凝固和以后冷却过程中，发生线收缩或相变引起体积的变化，当变化受到其它条件的制约不能自由进行时，在产生变形时还会产生应力，这种应力称为铸造应力。应力分类产生原因存在时间应力状态热应力、相变应力和机械阻碍应力临时应力与残留应力拉应力和压应力热应力：铸件各部位冷却速度不同，导致同一时刻收缩量不一致，铸件各部分彼此互相制约，从而产生的应力。相变应力：固态发生相变的合金，铸件各部分冷却条件不同，到达相变温度的时刻不同，且相变程度不同，由此产生的应力。机械阻碍应力：铸件的收缩受到砂型、型芯、浇冒口系统等机械阻碍而产生的应力。11－2铸件在冷却过程中的应力一、无固态相变的合金铸件瞬时应力的发展过程假设条件：1.从同一温度冷却到室温2.收缩系数和弹性模量不变3.不产生扰曲变形4.铸件无机械阻碍5.横梁刚性热应力发展的四个阶段：杆Ⅱ开始线收缩，而杆Ⅰ仍处于凝固初期，枝晶尚未成形。杆Ⅱ带动杆Ⅰ收缩，具有同一长度，无应力，在时，温差为△tH杆Ⅰ温度下降到线收缩温度下，开始线收缩。随着冷却，两杆温差越大，到τ２，温差最大。杆Ⅱ比杆Ⅰ多收缩为：但两杆彼此相连，具有相同长度，故杆Ⅱ被拉长，杆Ⅰ被压缩。杆Ⅱ内产生拉应力，杆Ⅰ内产生压应力。两杆温差逐渐减小。在此阶段杆Ⅰ的冷却速度大于杆Ⅱ。两杆自由线收缩量的差值为：在这个阶段最后时刻，两杆中的应力逐渐减小到零。杆Ⅰ的冷却速度仍然比杆Ⅱ快。两杆自由线收缩的差值为：在此阶段，杆Ⅰ受拉，杆Ⅱ反之。则铸件残余应力：杆Ⅱ为压应力，杆Ⅰ为拉应力。引申：其它形状铸件：圆柱、空心体二、有固态相变铸件热应力形成过程不考虑机械阻碍，瞬时应力的变化与冷却特点和相变过程有关粗杆处于共晶转变，细杆凝固完毕，两杆温差逐渐增大。粗杆析出一定量固相连成骨架后，石墨析出的膨胀力作用在骨架，发生膨胀，粗杆的膨胀受到细杆的阻碍，产生压应力，细杆则产生拉应力。随着时间的延续，两杆的应力值不断增加，粗杆共晶转变刚刚结束时，两杆温差和收缩量差达到极大值，在粗杆的应力曲线上出现第一压力谷，即a点。两杆温差逐渐减小，即粗杆的冷却速度比细杆快，粗杆的自由线收缩速度大于细杆。细杆进入共析转变后，析出石墨，体积膨胀，两杆自由线收缩速度差进一步加大，粗杆的压应力逐渐减小，并向拉应力转变。粗杆进入共析转变，粗杆受拉应力最大（b），温差最小。粗杆进入共析转变后，细杆已共析转变完毕，两杆温差再次加大，与此同时，粗杆还发生共析膨胀，粗杆的拉应力逐渐减小，并向压应力转变。两杆的温差再度减小，即粗杆冷却速度快，粗杆的收缩速度快于细杆，粗杆的压应力再次减小，并向拉应力转变。到室温，粗杆内残存着拉应力，细杆内残存着压应力。引申：当合金凝固和以后冷却过程中发生相变，两相比容差很大，能产生相变应力，和热应力叠加，构成瞬时应力。三、机械阻碍应力1.产生机械阻碍的原因1）铸型、型芯强度高，退让性差2）砂箱的箱档和型芯的芯骨3）浇冒口系统以及铸件上的突起4）设置在铸件上的拉筋、防裂筋，分型面上的飞边2.性质1）临时应力2）拉应力结论：铸件的瞬时应力是热应力、相变应力和机械阻碍应力的代数和。瞬时应力值大于金属在该温度下的强度，铸件会产生裂纹。存在应力的铸件，在受到撞击或热处理加热过快，有时铸件开裂。四、影响残余应力的因素1.残余应力的计算(参考图11－3)2.影响因素1）合金性质弹性模量越大，残余应力越大线收缩系数越大，残余应力越大导热系数越大，残余应力越小2）铸型性质蓄热系数越大，残余应力越大退让性好，残余应力小3）浇注条件浇注温度越高，残余应力越小同时凝固，减小残余应力4）铸件结构壁厚差越大，残余应力越大直角边壁越多，残余应力越大减小和消除铸造应力的措施：减小措施参考影响因素消除措施人工时效自然时效共振时效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。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。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。10－3铸件的变形和冷裂一、变形1.变形的概念2.变形趋势残余压应力自发生长残余拉应力自发缩短3.危害加工余量不足影响铸件精度铸件冷却过程中，冷却速度不同导致收缩量不一致，且各部分彼此相连相互制约而产生的形变。二、冷裂1.基本概念冷裂：由于铸件中的拉应力超出合金的强度极限而产生的裂纹。2.基本特征1）外形连续直线形或圆滑曲线2）