材料成形工艺原理9章

图9-1b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9-1c所示。
近期的研究工作表明，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。
B. 按应力存在的时间分：
（1）临时应力(temporary stress)：产生应力 的原因消失，应力便消失。 （2）残余应力(residual stress)：产生应力的
原因消除后，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原因，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。
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) 相变热效应改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
型比砂型容易在铸件中引起更大的残余应力。
3、浇注条件
2、自然时效(natural ageing)
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。 铸件中存在残余应力，必然使晶格发生畸变， 畸变晶格上的原子势能较高，极不稳定。长期经受
不断变化的温度作用，原子有足够时间和条件发生
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，应力消除。
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。
3、共振时效(resonance ageing)
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。
3、浇注条件
(1)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。
(2)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
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。
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，减小机械阻碍。可采用以下具体措施：
2、分类： A. 按应力形成的原因分：
（1） 热应力(thermal stress)：
铸件各部分厚薄不同， 在凝固和凝固后的 冷却过程中，冷却速度不同，造成同一时刻各 部分收缩量不一致，铸件各部分彼此制约，产 生的应力。
(2) 相变应力(phase transformation stress)： 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 变的程度也不同而产生的应力。 (3)机械阻碍应力(mechanism hindered stress)： 铸件收缩受到铸型、型芯、箱挡和芯骨等机 械阻碍所产生的应力。
第二阶段(τ１～τ２)：
tⅡ<ty ,tⅠ<ty。
此时杆I温度也已降 到ty 以下，开始线收缩，
在τ１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9-
1c中ab变化，到τ２时两
杆温差最大，为Δtmax。
从τ1到τ2，两自由线收缩量的差为：
式中：
α——线收缩系数，
L——杆长。
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。
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。
2、铸型方面
(1) 使铸件在冷却过程中温度分布均匀:
(a) 可在铸件厚实部分放置冷铁，或采用蓄
热系数大的型砂;
(b) 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
中的实际条件而定。重量大的铸件处理时间要长 一些。
共振时效具有显著的优越性：时间短，费 用低，功率小，一马力的振动器可处理50t以上 铸件，省能源，无污染，机构轻便，易操作，
铸件表面不产生氧化皮 ，不损害铸件尺寸精
度．该方法对箱、框类铸件效果尤为显著，但 对盘类 和 厚大铸件效果较差 ，有待进一步完 善．
E/(107N.m-2)
19600
16600
(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，奥氏体不锈钢由于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，
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
瞬时应力的发展过程可分四个阶段加以说明， 如图9-1d所示。合金线收缩开始温度为ty 第一阶段(τ0～τ1)： 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η1时，两 杆具有同一长度，温差为 ΔtH，铸件不产生应力。
部位的冷却速度。
(c) 可在铸件冷却过程中，将铸件厚壁部位 的砂层减薄。 (d) 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℃。
(2)提高铸型和型芯的退让性: 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。
第二节
热
裂(Hot Tearing)
一、热裂特征和分类
热裂是铸件生产中最常见的铸造缺陷之一。 热裂的外观特征如图9—4所示，裂纹表面呈氧 化色(铸钢件裂纹表面近似黑色，铝合金呈暗灰 色)，不光滑，可以看到树枝晶(图9—5)。
裂纹是沿晶界产生和发展的(图9—6)，外
形曲折。
热裂分为外裂和内裂。在铸件表面可以看到 的裂纹称为外裂，其表面宽，内部窄，有时贯穿 铸件整个断面。 外裂常产生在铸件的拐角处、截面厚度有突 变或局部冷凝慢且在凝固时承受拉应力的地方。 大部分外裂用肉眼就能观察到，细小的外裂 需用磁力探伤或其它方法才能发现；内裂需用x 射线，γ射线或超声波探伤检查。
内裂产生在铸件内部最后凝固的部位，也常 出现在缩孔附近或缩孔尾部(图9—7)。
以应力框为例(图9-1)，讨论瞬时应力的发展过
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。
应力框由杆I，杆Ⅱ以及横梁Ⅲ组成。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 阻 碍 。 5) 横梁Ⅲ是刚性体。
材料成形工艺原理
材料成形系
高文理
第九章 铸造应力
第一节 铸造应力 第二节 热裂 第三节 冷裂
第九章 铸造应力Casting Stress
第一节 铸造应力
一、铸造应力的定义、分类和危害
1、定义： 铸造应力(casting stress)：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。
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。
确定热处理规范应注意的是，在铸件升温和 冷却过程中力求其各处温度均匀，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 生产实际出发，为了提高生产效率，加热和冷 却速度均不应过小，保温时间不易过长，要根
(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模量有关 (表9—1)。
表9-1 一些铸造合金的弹性模量 材料 钢 白口铸铁 球墨铸铁 1350018200 灰铸铁 735010800 铜合金 1100013200 铝合金 65008300
据具体情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