铸件形成理论7(第十一章)

第十一章铸造应力、变形及冷裂纹§11-1概述§11-2铸件在冷却过程中产生的应力§11-3铸件的变形和冷裂§11-1概述铸件在凝固和以后的冷却过程中，发生线收缩，有些合金还发生固态相变，也会引起体积膨胀或收缩。这种变化往往受到外界的约束或铸件各部分之间的相互制约而不能自由地进行，于是在产生变形的同时还产生应力，这种应力称为铸造应力。在冷却过程中的任一瞬时铸件中所存在的应力称为瞬时应力。产生应力的原因消除后，随之也消失的应力称为临时应力，产生应力的原因消除后，铸件中仍然存在的应力称为残余应力。§11-1概述铸造应力按其产生原因分为三种：热应力、相变应力和机械阻碍应力。热应力：铸件在凝固和其后的冷却过程中，由于铸件各部分冷却速度不同，造成同一时刻收缩量的不一致，铸件各部分彼此相互制约，因而产生应力。这种应力称为热应力。相变应力：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，由此而产生的应力称为相变应力。机械阻碍应力：铸件的收缩受到诸如铸型、型芯、箱档和芯骨等机械阻碍而产生的应力称为机械阻碍应力。§11-1概述铸造应力和铸件的变形对铸件质量的影响很大。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原因，它降低铸件的使用性能。1）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。2）有残余应力的铸件，放置日久或经机械加工会变形，使其失去精度。3）产生变形的铸件可能因加工余量不足而报废。在大批量生产时，变形的铸件在机械加工时往往因放不进夹具而报废。4）挠曲变形还降低铸件的尺寸精度，尤其是对精度要求较高的铸件，防止产生变形尤为重要。BACK§11-2铸件在冷却过程中产生的应力一、固态无相变的合金铸件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。以应力框为例(如图)，讨论瞬时应力的发展过程。为便于讨论，作如下假设：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

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)核梁Ⅲ

是刚性体。一、固态无相变的合金铸件瞬时应力的发展过程图b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c所示。瞬时应力的发展过程可分四个阶段加以说明，如图d所示。线收缩开始温度一、固态无相变的合金铸件瞬时应力的发展过程第一阶段(从

0到

1)：

tⅡ＜ty，tⅠ＞ty，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

1时，两杆具有同一长度，温差为

tH，铸件不产生应力。线收缩开始温度一、固态无相变的合金铸件瞬时应力的发展过程第二阶段(从

1到

2)：

tⅡ＜ty，tⅠ＜ty，此时杆I温度也已降到ty以下，开始线收缩，在

1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c中ab变化，到

2时两杆温差最大，为

tmax。从

1到

2

，两杆自由线收缩量的差为即杆Ⅱ要比杆I多收缩

l1，但两杆彼此相连，始终具有相同的长度。因此，杆Ⅱ被拉长，杆I被压缩。这样在杆Ⅱ内产生拉应力，在杆I内产生压应力。线收缩开始温度一、固态无相变的合金铸件瞬时应力的发展过程第三阶段(从

2到

3)：

两杆的温差逐渐减小，到

3时，温差又减小到

tH。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

2到

3，两杆自由线收缩量的差值为因此，从

2到

3，两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

3时，两杆中的应力值均为0，铸件完全处于卸载状态。线收缩开始温度一、固态无相变的合金铸件瞬时应力的发展过程第四阶段(从

3到

4)：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

3到

4，两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

4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。线收缩开始温度一、固态无相变的合金铸件瞬时应力的发展过程

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，内部存在残余拉应力，外层存在残余压应力。§11-2铸件在冷却过程中产生的应力二、固态有相变的合金铸件瞬时应力的发展过程

在不考虑机械阻碍时，这类合金铸件中的瞬时应力的发展过程与铸件的冷却特点和相变过程有关。下面灰铸铁应力框为例，讨论瞬时应力的发展过程。二、固态有相变的合金铸件瞬时应力的发展过程

灰铸铁在凝固过程中发生共晶转变和共析转变，在冷却曲线上出现两个等温平台(如图a)。粗细杆的温差变化如图b所示。此外，灰铸铁的线收缩曲线有两个膨胀过程。这种合金的瞬肘应力的发展过程可分为四个阶段，如图c所示。二、固态有相变的合金铸件瞬时应力的发展过程Ⅰ）从

1到

2，粗杆处在共晶等温转变时，细杆已凝固完毕，两杆的温差逐渐增大。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上，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，即图c中的a点。

粗杆细杆粗杆的应力曲线二、固态有相变的合金铸件瞬时应力的发展过程Ⅱ）从

2到

3，两杆的温差逐渐减小，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，发生

＋C石墨反应，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。粗杆刚刚进入共析转变时，粗杆所受的拉应力达到最大值(图中的b点)，此时两杆的温差取最小值。粗杆细杆粗杆的应力曲线二、固态有相变的合金铸件瞬时应力的发展过程Ⅲ）从

3到

4，粗杆进入共折转变后，细杆已共析转变完毕，两杆温差再次加大。与此同时，粗杆还发生共忻膨胀，因而，粗杆的拉应力逐渐减小，并向压应力转变。粗杆细杆粗杆的应力曲线二、固态有相变的合金铸件瞬时应力的发展过程Ⅳ）从

4到

5，两杆的温差再度减小，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。冷却到室温，粗杆内残存着拉应力，细杆内残存着压应力。粗杆细杆粗杆的应力曲线二、固态有相变的合金铸件瞬时应力的发展过程

由上述分析可知，凡是在凝固和以后的冷却过程中发生相变的合金，若新旧两相比容差很大，都可能使铸件产生相变应力，和热应力叠加，构成任一瞬时的瞬时应力。（比容由小到大的顺序：

PM

此外，如金属基体和析出相的收缩系数不同，在冷却过程中也会产生相变应力。以球墨铸铁为例，金属基体的线收缩系数比石墨大1.5倍，故金属基体收缩受到石墨阻碍，产生应力。因此，球铁产生应力的倾向较大。普通灰铸铁也会发生类似现象，但其差别在于，普通灰铸铁中的石墨呈片状形成缺口，能使应力松弛。§11-2铸件在冷却过程中产生的应力三、铸件冷却过程中产生的机械阻碍应力铸件的机械阻碍应力，是由于铸件在冷却过程中因收缩受到机械阻碍而产生的。机械阻碍的来源有以下几个方面：1)铸型和型芯有较高的强度和较低的退让性；2)砂箱的箱挡和型芯内的芯骨；3)浇冒口系统以及铸件上的一些突出部位；4)设置在铸件上的拉筋、防裂筋，分型面上的飞边。

机械阻碍应力一般使铸件产生拉伸或剪切应力。§11-2铸件在冷却过程中产生的应力综上所述，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，铸件就会产生裂纹。存在应力的铸件，如受到撞击或热处理时加热过快，有时会使铸件开裂。§11-2铸件在冷却过程中产生的应力四、影响残余应力的因素

机械阻碍应力一般在铸件落砂后即消失，是临时应力。残余应力往往是热应力和相变应力。假设应力框从最后一次完全卸载时起，铸件不产生挠曲变形，且只产生弹性变形。则有：杆I所受的拉力：杆II所受的压力：§11-2铸件在冷却过程中产生的应力四、影响残余应力的因素依虎克定律，有：－弹性变形率§11-2铸件在冷却过程中产生的应力四、影响残余应力的因素设

I和II为两杆最后一次卸载后，冷却到室温时两杆的自由线收缩率，则有：总变形率：§11-2铸件在冷却过程中产生的应力四、影响残余应力的因素于是有：由上述两式可知，残余应力与以下因素有关：1．金属性质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摸量有关。2)铸件的残余应力与合金的自由线收缩系数成正比。3)合金的导热系数直接影响铸件厚簿两部分的温差值。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。§11-2铸件在冷却过程中产生的应力四、影响残余应力的因素于是有：由上述两式可知，残余应力与以下因素有关：1．金属性质

相变对残余应力的影响表现在以下两个方面：1)相变引起比容的变化；2)相变热效应改变铸件各部分的温度分布。§11-2铸件在冷却过程中产生的应力四、影响残余应力的因素于是有：由上述两式可知，残余应力与以下因素有关：2．铸型性质

铸型蓄热系数b2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。§11-2铸件在冷却过程中产生的应力四、影响残余应力的因素于是有：由上述两式可知，残余应力与以下因素有关：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。§11-2铸件在冷却过程中产生的应力五、减小和消除铸造应力的途径1．减小铸造应力的措施和途径

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。§11-2铸件在冷却过程中产生的应力五、减小和消除铸造应力的途径1．减小铸造应力的措施和途径(2)铸型方面：为了使铸件在冷却过程中温度分布均匀，可在铸件厚实部分放置冷铁，或采用蓄热系数大的型砂，也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。也可在铸件冷却过程中，将铸件厚壁部位的砂层减薄。§11-2铸件在冷却过程中产生的应力五、减小和消除铸造应力的途径1．减小铸造应力的措施和途径

(2)铸型方面：为了使铸件在冷却过程中温度分布均匀，可在铸件厚实部分放置冷铁，或采用蓄热系数大的型砂，也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。也可在铸件冷却过程中，将铸件厚壁部位的砂层减薄。

预热铸型能有效地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。§11-2铸件在冷却过程中产生的应力五、减小和消除铸造应力的途径1．减小铸造应力的措施和途径

(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。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，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。§11-2铸件在冷却过程中产生的应力五、减小和消除铸造应力的途径2．消除铸件中残余应力的方法(1)人工时效：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。注意升温和冷却速度。§11-2铸件在冷却过程中产生的应力五、减小和消除铸造应力的途径2．消除铸件中残余应力的方法(2)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。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。§11-2铸件在冷却过程中产生的应力五、减小和消除铸造应力的途径2．消除铸件中残余应力的方法(3)共振时效：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。BACK§11-3铸件的变形和冷裂一、铸件在冷却过程中的变形铸件在冷却过程中，由于各部分冷却速度不同，引起的收缩量不一致，但各部分被此相连，相互制约，必然要产生变形。挠曲是铸件中最常见的变形。下面以T形奥氏体钢铸件在冷却时挠曲变形的发展过程为例加以讨论。§11-3铸件的变形和冷裂一、铸件在冷却过程中的变形由前面分析可知，在初期阶段，铸件厚大部分(杆I)的冷却速度比薄部分(杆II)慢。在同一时刻，杆I的自由线收缩量比杆II小，彼此相互作用的结果，使杆I产生外凸的挠曲变形。随时间延续，挠曲变形量增加。当两杆温差达到最大值时，杆I的外凸挠曲变形达最大值。以后，杆I的冷却速度比杆II快，即自由线收缩速度大于杆II，因此，挠曲值逐渐减小，直到某一时刻，铸件复原(挠度为零)。此时，铸件截面上依然存在温差。以后，杆I的冷却速度仍然比杆II快，杆I发生内凹变形，冷却到室温，铸件的变形方向是杆I(厚大部分)向内凹，杆II向外凸。外凸复原内凹§11-3铸件的变形和冷裂一、铸件在冷却过程中的变形通过上述分析可知，铸件的不均匀冷却和铸件截面上温度的不对称分布是铸件产生挠曲变形的主要原因。具有固态相变的合金铸件，由于铸件各部位冷却条件不同，到达相变温度的时刻和相变的程度也不同，因此，这类合金铸件的变形过程还与合金的相变有关。右图为灰铸铁T形梁铸件在冷却过程中挠曲变形的发展过程。§11-3铸件的变形和冷裂一、铸件在冷却过程中的变形铸件的挠曲变形还与合金成分有关。右图表示WC＋Si值对T形粱铸件残余变形的影响。可以看出，碳硅量较小时，厚大部分产生向内的挠曲变形，随着碳硅量的增加，挠度逐渐减小，甚至产生反向挠曲变形。

§11-3铸件的变形和冷裂二、铸件在存放和机械加工后产生的变形处于应力状态的铸件是不稳定的，能自发地进行变形和应力松弛以减小内应力，趋于稳定状态。显然，有残余压应力的部分自发伸长，而有残余拉应力的部分自动缩短，才能使铸件残余应力减小，结果导致铸件发生挠曲变形。机床床身导轨面较厚，侧面较簿，在冷却过程中存在温差，致使导轨面存在残余拉应力，侧面存在压应力。存放时发生挠曲变形，导轨面下凹，薄壁侧面向上凸，如图所示。§11-3铸件的变形和冷裂二、铸件在存放和机械加工后产生的变形存在内应力的铸件经机械加工后，破坏了铸件中应力平衡条件，残余应力重新分布，经一段时间后，又会发生二次挠曲变形，使零件失去应有的精度。铸件产生挠曲变形，往往只能减小应力，而不能完全消除残余应力。产生挠曲变形的铸件，如果合金的塑性较好，可以校正；对于脆性材科(如灰铸铁)则不易校正，可能因加工余量不够而报费，造成不必要的浪费。§11-3铸件的变形和冷裂三、铸件的冷裂冷裂处于弹性状态的铸件中应力超出合金的强度极限而产生的。冷裂往往出现在铸件受拉伸的部位，特别