铸造铸造应力
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材料科学与工程
第4节 铸造应力
金属凝固学
一、概述
在铸件凝固冷却过程中，因结构、 相变使收缩受到阻碍而产生的应力，称 为铸造应力。
材料科学与工程
金属凝固学
按形成原因分类： • 热应力 – 铸件在冷却过程中，由于各部
分冷却速度不一致，造成收缩量不一致， 彼此制约的结果，所形成的应力； • 相变应力 – 铸件冷却过程中发生固态相变的时 间不一致，体积和长度变化的时间也不一 致，彼此制约，形成的应力； • 机械应力 – 铸件冷却收缩过程中，线收缩受到 机械阻碍而产生的应力。
• 综合上述可见，铸造应力是热应力、相变应 力以及机械阻碍应力的总和。在某一瞬间，一 切应力的总和大于金属在该温度下的强度极限 时，铸件就要产生裂缝。
材料科学与工程
金属凝固学
五、减少及消除残余应力的方法
（一）减小措施和途径
（1）合金方面：选择弹性模量和热膨胀系数小的合 金材料。
• （2）铸型方；减小铸件冷却过程中的温度差。
材料科学与工程
二、铸件中的热应力
金属凝固学
框形铸件中的动态应力分析
材料科学与工程
金属凝固学
影响残余热应力的因素
1. 合金性质方面
（1）弹性模量
1)E ,
（2）膨胀系数
2) ,
（3）合金的热导率 3) tH
2. 铸型性质
蓄热系数大，导致温差大，残余压力大
3. 浇注温度 t浇 铸件的冷却速度 t 4. 铸件结构 壁厚差 t
形；
• 控制打箱时间； • 采取反变形措施； • 设置防变形箱（拉箱）； • 改变铸件结构；
材料科学与工程
第六节 冷裂纹
金属凝固学
• 冷裂是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，特别是有应 力集中的地方。
冷裂纹的特征：
• 温度：较低温度下产生；
• 宏观：发亮、金属光泽的脆断特征； 裂口宽度0.001～0.01mm.
• （1）反变形措施；
• （2）改变铸件结构；
• （3）控制铸件打箱时间；
• （4）在铸造应力集中的部位设置拉筋。
• 注意：加热、冷却速度、保温时间的确定 3. 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。使铸件中的残余应力逐步松 弛消失。同时，晶格畸变恢复，应力消失。
材料科学与工程
金属凝固学
第5节 铸造变形
材料科学与工程
金属凝固学
材料科学与工程
金属凝固学
• 防止铸件产生变形的措施： • 提高铸型刚度，加大压铁重量，减小变
机械阻碍的来源大致有以下几个方面： (1)铸型和型芯有较高的强度和较低的退让性。 (2)砂箱内的箱档和型芯内的芯骨。 (3)设置在铸件上的拉杆，防裂筋，分型面上
的铸件飞边。 (4)浇冒口系统以及铸件上的一些突出部分。
材料科学与工程
金属凝固学
• 由于铸型和型芯阻碍而产生的机械阻碍应力， 都是拉伸应力，故与铸件厚部或铸件内部的残 余热应力符号相同，而与铸件薄部或外部残余 热应力的符号相反，因此，冷裂容易在铸件厚 部和内部产生。
材料科学与工程
金属凝固学
三、铸件冷却过程中的相变应力
可分为临时应力和残余应力
当薄壁部分发生固态相变时，厚壁部分还 处于塑性状态，最终产生残余应力
当薄壁部分发生固态相变时，厚壁部分处 于弹性状态，产生临时应力，最后消失。
材料科学与工程
四、机械阻碍应力
金属凝固学
由于收缩受到来自铸件外部机械阻 碍而产生，表现为临时应力。
（3）浇注条件 ：内浇口、冒口位置要使铸件各部温 度均匀；
（4）铸件结构：减小壁厚差，合理过渡，热节小而 分散 。
材料科学与工程
金属凝固学
（二）消除铸件残余应力的方法
1.自然时效 铸件放在露天，经数日至半年以上，应力慢慢消失 。
2. 人工时效
• 铸件加热到弹塑性状态，保温一定时间，使应力消失， 缓冷至室温。
微观：一般晶间（或沿晶）断裂；
材料科学与工程
金属凝固学
材料科学与工程
金属凝固学
• 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。前面所述的防止铸造应力的 方法都可以应用于防止变形和冷裂的产生。此 外，从工艺方法上防止变形还可以采取一下措 施：
第4节 铸造应力
金属凝固学
一、概述
在铸件凝固冷却过程中，因结构、 相变使收缩受到阻碍而产生的应力，称 为铸造应力。
材料科学与工程
金属凝固学
按形成原因分类： • 热应力 – 铸件在冷却过程中，由于各部
分冷却速度不一致，造成收缩量不一致， 彼此制约的结果，所形成的应力； • 相变应力 – 铸件冷却过程中发生固态相变的时 间不一致，体积和长度变化的时间也不一 致，彼此制约，形成的应力； • 机械应力 – 铸件冷却收缩过程中，线收缩受到 机械阻碍而产生的应力。
• 综合上述可见，铸造应力是热应力、相变应 力以及机械阻碍应力的总和。在某一瞬间，一 切应力的总和大于金属在该温度下的强度极限 时，铸件就要产生裂缝。
材料科学与工程
金属凝固学
五、减少及消除残余应力的方法
（一）减小措施和途径
（1）合金方面：选择弹性模量和热膨胀系数小的合 金材料。
• （2）铸型方；减小铸件冷却过程中的温度差。
材料科学与工程
二、铸件中的热应力
金属凝固学
框形铸件中的动态应力分析
材料科学与工程
金属凝固学
影响残余热应力的因素
1. 合金性质方面
（1）弹性模量
1)E ,
（2）膨胀系数
2) ,
（3）合金的热导率 3) tH
2. 铸型性质
蓄热系数大，导致温差大，残余压力大
3. 浇注温度 t浇 铸件的冷却速度 t 4. 铸件结构 壁厚差 t
形；
• 控制打箱时间； • 采取反变形措施； • 设置防变形箱（拉箱）； • 改变铸件结构；
材料科学与工程
第六节 冷裂纹
金属凝固学
• 冷裂是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，特别是有应 力集中的地方。
冷裂纹的特征：
• 温度：较低温度下产生；
• 宏观：发亮、金属光泽的脆断特征； 裂口宽度0.001～0.01mm.
• （1）反变形措施；
• （2）改变铸件结构；
• （3）控制铸件打箱时间；
• （4）在铸造应力集中的部位设置拉筋。
• 注意：加热、冷却速度、保温时间的确定 3. 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。使铸件中的残余应力逐步松 弛消失。同时，晶格畸变恢复，应力消失。
材料科学与工程
金属凝固学
第5节 铸造变形
材料科学与工程
金属凝固学
材料科学与工程
金属凝固学
• 防止铸件产生变形的措施： • 提高铸型刚度，加大压铁重量，减小变
机械阻碍的来源大致有以下几个方面： (1)铸型和型芯有较高的强度和较低的退让性。 (2)砂箱内的箱档和型芯内的芯骨。 (3)设置在铸件上的拉杆，防裂筋，分型面上
的铸件飞边。 (4)浇冒口系统以及铸件上的一些突出部分。
材料科学与工程
金属凝固学
• 由于铸型和型芯阻碍而产生的机械阻碍应力， 都是拉伸应力，故与铸件厚部或铸件内部的残 余热应力符号相同，而与铸件薄部或外部残余 热应力的符号相反，因此，冷裂容易在铸件厚 部和内部产生。
材料科学与工程
金属凝固学
三、铸件冷却过程中的相变应力
可分为临时应力和残余应力
当薄壁部分发生固态相变时，厚壁部分还 处于塑性状态，最终产生残余应力
当薄壁部分发生固态相变时，厚壁部分处 于弹性状态，产生临时应力，最后消失。
材料科学与工程
四、机械阻碍应力
金属凝固学
由于收缩受到来自铸件外部机械阻 碍而产生，表现为临时应力。
（3）浇注条件 ：内浇口、冒口位置要使铸件各部温 度均匀；
（4）铸件结构：减小壁厚差，合理过渡，热节小而 分散 。
材料科学与工程
金属凝固学
（二）消除铸件残余应力的方法
1.自然时效 铸件放在露天，经数日至半年以上，应力慢慢消失 。
2. 人工时效
• 铸件加热到弹塑性状态，保温一定时间，使应力消失， 缓冷至室温。
微观：一般晶间（或沿晶）断裂；
材料科学与工程
金属凝固学
材料科学与工程
金属凝固学
• 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。前面所述的防止铸造应力的 方法都可以应用于防止变形和冷裂的产生。此 外，从工艺方法上防止变形还可以采取一下措 施：