铸件凝固过程的应力动态测量方法
铸件中常见缺陷
铸件中常见的主要缺陷有:1.气孔这是金属凝固过程中未能逸出的气体留在金属内部形成的小空洞,其内壁光滑,内含气体,对超声波具有较高的反射率,但是又因为其基本上呈球状或椭球状,亦即为点状缺陷,影响其反射波幅。
钢锭中的气孔经过锻造或轧制后被压扁成面积型缺陷而有利于被超声检测所发现,如图2.2所示。
2.缩孔与疏松铸件或钢锭冷却凝固时,体积要收缩,在最后凝固的部分因为得不到液态金属的补充而会形成空洞状的缺陷。
大而集中的空洞称为缩孔,细小而分散的空隙则称为疏松,它们一般位于钢锭或铸件中心最后凝固的部分,其内壁粗糙,周围多伴有许多杂质和细小的气孔。
由于热胀冷缩的规律,缩孔是必然存在的,只是随加工工艺处理方法不同而有不同的形态、尺寸和位置,当其延伸到铸件或钢锭本体时就成为缺陷。
钢锭在开坯锻造时如果没有把缩孔切除干净而带入锻件中就成为残余缩孔(缩孔残余、残余缩管),如图2.3、2.4、2.5所示。
如果铸件的型模设计不当、浇注工艺不当等,也会在铸件与型模接触的部位产生疏松,如图2.28所示。
断口照片中的黑色部分即为疏松部位,其呈现黑色是因为该工件已经过退火处理,使得疏松部位被氧化和渗入机油所致。
图2.28 W18钢铸件-用作铣刀齿,采用超声纵波垂直入射多次底波衰减法发现的疏松断口照片3.夹渣熔炼过程中的熔渣或熔炉炉体上的耐火材料剥落进入液态金属中,在浇注时被卷入铸件或钢锭本体内,就形成了夹渣缺陷。
夹渣通常不会单一存在,往往呈密集状态或在不同深度上分散存在,它类似体积型缺陷然而又往往有一定线度。
4.夹杂熔炼过程中的反应生成物(如氧化物、硫化物等)-非金属夹杂,如图2.1和2.6,或金属成分中某些成分的添加料未完全熔化而残留下来形成金属夹杂,如高密度、高熔点成分-钨、钼等,如图2.29,也有如图2.24所示钛合金棒材中的纯钛偏析。
(a)(b)(c)(d)(e)图2.29 BT9钛合金锻制饼坯中的钼夹杂:(a)剖面低倍照片;(b)X射线照相底片;(c)C扫描显示(图中四个白色点状显示为同一个缺陷,是使用水浸点聚焦探头以不同灵敏度检测的结果,其他分散细小的白色点状为与该缺陷无关的杂波显示);(d)B扫描显示;(e)3D显示5.偏析铸件或钢锭中的偏析主要指冶炼过程中或金属的熔化过程中因为成分分布不均而形成的成分偏析,有偏析存在的区域其力学性能有别于整个金属基体的力学性能,差异超出允许标准范围就成为缺陷,如图2.23和2.24、2.27所示。
防止和消除铸造应力的方法
防止和消除铸造应力是铸造工艺中非常重要的一环,直接关系到铸件的质量和性能。
铸造应力主要来源于铸造过程中的凝固收缩和内部组织结构不均匀所引起的应力,如果不及时处理,将会对铸件的使用性能产生不利影响。
因此,合理的预防和处理铸造应力对于确保铸件质量至关重要。
一、预防铸造应力的方法1. 设计合理的铸件结构在设计铸件时,应尽量避免出现过大的壁厚变化和凸角,避免出现棱角太锐利的部位,以减小凝固收缩引起的应力集中。
同时,在设计时也要考虑到浇注系统和冷却系统,合理设计这些系统可以有效地降低凝固收缩带来的影响。
2. 选用合适的浇注系统浇注系统的设计对于减小铸造应力非常重要。
通过选用合适的浇口形式和位置,可以有效地降低凝固收缩引起的内部应力。
同时,合理设计浇注系统还可以保证金属液流畅,防止气体和杂质的混入,从而减小内部组织不均匀带来的应力问题。
3. 控制浇注温度和速度合理控制浇注温度和速度可以有效降低凝固收缩引起的应力。
通过控制浇注温度,可以减缓凝固速度,减小凝固收缩引起的应力。
同时,控制浇注速度可以使金属液在浇注过程中充分充实,减小气孔的产生,从而减小内部组织不均匀带来的应力问题。
二、消除铸造应力的方法1. 热处理热处理是消除铸造应力的常用方法之一。
通过热处理可以改变铸件的组织结构,减小内部组织不均匀带来的应力问题。
常用的热处理方法包括回火、正火等,可以根据具体情况选择合适的热处理工艺。
2. 振动处理对于一些特殊结构的铸件,可以采用振动处理的方法来消除铸造应力。
通过振动处理可以使内部应力得到释放,从而改善铸件的性能。
3. 应力退火应力退火是一种通过加热和保温的方法来消除应力的工艺。
通过应力退火可以使铸件内部的应力得到释放,提高铸件的稳定性和性能。
4. 热处理组织调整通过改变热处理工艺参数,可以调整铸件的组织结构,从而消除铸造应力。
例如改变回火温度、时间等参数,可以使铸件的组织结构得到调整,从而减小应力。
三、综合措施除了上述方法外,还可以采取一些综合措施来预防和消除铸造应力。
铝合金电解阴极横梁凝固数值模拟及其应力分析
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铸造应力的分类
铸造应力的分类
1. 热应力:由于铸件在铸造过程中的激烈冷却以及不均匀收缩,导致不同部分温度和体积的差异,产生的应力。
2. 冷却应力:铸件在铸造完成后冷却过程中,由于不同部分的收缩速度不一致,导致的应力。
3. 凝固应力:在铸造过程中,液态金属逐渐凝固,形成晶粒,晶粒的体积变化引起应力。
4. 化学应力:在合金铸造中,由于不同组分的化学成分差异,产生的化学反应引起的应力。
5. 内应力:在熔融金属冷却过程中,由于原材料中存在的或形成的缺陷、气包等不均匀性,产生的局部应力。
6. 大气应力:铸造完工的产品暴露在大气环境中,与环境中的温度、湿度等因素相互作用,引起的应力。
7. 机械应力:在铸件冷却完毕后,由于剪切、磨削、切割等机械加工过程中的应变造成的应力。
8. 环境应力:铸件在使用过程中,与周围环境温度、湿度、压力等因素相互作用,产生的应力。
9. 应力集中:在铸造过程中,由于形状、尺寸等因素的变化,导致铸件某些部位应力集中,产生较高的应力。
10. 残余应力:在铸造过程完成后,因冷却和凝固过程中温度、体积等因素的变化,导致的残余应力。
合金的凝固收缩是铸件产生应力、变形和冷裂的基本原因
合金的凝固收缩是铸件产生应力、变形和冷裂的基本原因
合金的凝固收缩是指在铸造过程中,由于合金在冷却过程中体积缩小而产生的现象。
这个缩小是由于合金在液态和固态之间的相变过程中,原子或分子的排列方式发生变化引起的。
合金的凝固收缩会导致以下问题:
1. 应力和变形:凝固收缩会导致铸件内部产生拉应力和挤压应力。
当拉应力超过材料的强度限制时,可能会导致铸件的断裂。
同时,凝固收缩还会导致铸件变形,特别是对于复杂形状的铸件来说,这种变形可能会使铸件失去原有的形状和尺寸。
2. 冷裂:凝固收缩还会导致铸件的冷裂。
当铸件凝固收缩时,内部产生的拉应力可能会超过材料的断裂韧性限制,从而导致铸件的冷裂。
为了解决合金的凝固收缩问题,可以采取以下措施:
1. 添加凝固缩小剂:通过添加凝固缩小剂,可以促进铸件凝固过程中的形变和缩小,从而减少凝固收缩产生的应力和变形。
2. 控制凝固速率:通过控制凝固速率,可以影响合金凝固收缩的行为。
较快的凝固速率可以减少凝固收缩的影响。
3. 使用合理的铸造工艺:选择合适的铸造温度、浇注方式和冷却方式等铸造工艺参数,可以降低合金凝固收缩带来的问题。
总之,合金的凝固收缩是造成铸件产生应力、变形和冷裂的基本原因之一,需要通过适当的措施来解决这个问题。
铸件释放应力的工艺规程
铸件释放应力的工艺规程
铸件在凝固和冷却过程中,由于收缩受阻,各部位冷却速度不同以及组织转变引起体积变化等原因,不可避免地会在铸件内产生内应力。
铸件内应力会使铸件在存放、后续加工及使用过程中产生裂纹或变形,降低铸件的尺寸精度和使用性能,甚至使铸件报废。
因此,对于有较大铸造残留应力的铸件,尤其是形状复杂的大型铸件,应在机械加工前进行消除内应力处理。
铸件在焊补时也会产生内应力,因此,焊补后的铸件也应进行消除内应力处理。
最常采用的铸件消除内应力处理方法是自然时效和人工时效。
自然时效是将铸件平稳地放置在空地上,一般放置6-18个月,最好经过夏季和冬季。
大型铸铁件,如床身,机架等一般采用这种时效方法。
自然时效稳定铸件尺寸的效果比人工时效好,但周期长,因此中小铸件甚至大铸件通常都采用人工时效方法来消除内应力。
人工时效通常指对铸件进行消除内应力回火,即将铸件加热到塑性变形温度范围保持一段时间,使铸件各部位温度均匀化,从而释放铸件内应力,使铸件尺寸趋于稳定,然后使铸件在炉内缓慢冷却到弹性变形温度范围后出炉空冷。
此外,振动时效作为一种消除铸件内应力的新工艺,由于其能耗和处
理成本较低,且在消除内应力及保证铸件尺寸稳定性方面效果显著,也越来越受到重视。
铸件凝固动态曲线测定
实验一铸件凝固动态曲线测定1.实验目的合金液相线到固相线之间的温度间隔谓之结晶间隔,凝固过程中逐渐液相线等温面和固相线等温面之间的区域谓之凝固区域,反映凝固区域由表及里推移的最直观方法是凝固动态曲线,凝固区域是液固并存区。
它的宽、窄、结构,向铸件中推进的速度以及最终推进到铸件中心的时间,对铸件的质量,如缩孔、缩松热裂,偏析等的形成都有影响。
因此它是研究铸件凝固问题重要领域之一。
本实验的目的在于学会测定铸件凝固动态曲线,对凝固区域结构建立起直观认识,验证铸件凝固的平方根定律。
2.实验原理如下图所示,由一维铸件表面至中心安放六根热电偶测得相应的六条冷却曲线,如图(a)所示,再以时间为横坐标轴,以铸件表面至中心的六根热电偶的安装位置,即以铸件表面至中心之距离为纵坐标轴,如图(a)每根冷却曲线与液相线和固相线的交点分别向下引出垂线,与各热电偶的位置线相交,得到的相应交点,把交点连接起来就构成了凝固动态曲线,所得之图即为凝固动态图如图(c)所示。
图(c)左边曲线同液相线相对应(如有过冷,则与一个略低的等温线相对应)。
它表示不同时间铸件断面中凝固开始的部位,故谓之“凝固始液”。
它实质上表示了铸件断面中液相线等温面从铸件表面向中心推进,在不同时间所处之部位,该曲线之斜率就表示液相线等温面向中心推进至速度。
图(c)右边曲线同固相线相对应,它表示不同时间铸件断面中凝固结束的部位,故谓之“凝固终夜”。
它实质上表示了铸件断面中固相线等温面在不同时间时所处之部位,它的斜率就表示了固相线等温面向铸件中心推进的速度。
在凝固动态图(c)上可以看出具有结晶间隔的合金在每个时间,从铸件表面至中心参在固相区(铸件表面至凝固终液),凝固区(凝固终波至凝固始波之垂直距离)和液相区三个区域。
在图上可以看出铸件凝固过程即是凝固区域不断推向铸件中心液相区随之不断缩小以至于消失之过程。
凝固终波到达铸件中心就表示铸件凝固过程已经结束。
所以动态曲线测定原理实际上就是把具有温度-时间坐标的多根冷却曲线转变成具有距离-时间坐标的凝固动态曲线图。
铸造应力的产生机理
铸造应力的产生机理
在现代工业生产中,铸造是一种常见的加工方式,而在铸造过程中,铸造应力的产生是一个不可避免的问题。
那么,铸造应力产生的机理是什么呢?下面将从几个方面进行详细阐述。
第一、温度梯度的影响
在铸造过程中,金属液凝固后会发生收缩,这时候就会产生应力。
其中最主要的就是“固态相变应力”。
它是由于金属在凝固时,由高温到低温有一个温度梯度的分布,导致了铸件的体积收缩不均匀而产生的。
这种应力主要集中于铸件的极端部分,也就是沿着铸件壁厚方向分布。
第二、金属流动的影响
在铸造过程中,金属液在浇注到模型中之后,会在模型中逐渐凝固,这时候颗粒之间的分离,分布不均也会导致应力的产生。
同时,金属液还会受到气流、浇口等因素的影响,因而产生没有规律的金属流动。
这些因素都会导致金属拉伸和压缩变形,从而使得金属内部出现应力。
第三、金属内部组织结构的影响
金属的内部结构是产生应力的关键之一。
铸造过程中,金属液在凝固的过程中,会出现晶粒拒绝现象,从而使得铸造材料存在着不同的晶粒组织和晶界,而不同的晶粒组织和晶界之间的应变状态是不同的,所以也就导致了应力的产生。
综上所述,铸造应力的产生机理主要包括:温度梯度的影响、金属流动的影响以及内部组织结构的影响等。
在铸造过程中,我们需要充分考虑这些因素,做好相关工作,以保证铸件的质量和安全性。
同时,在生产过程中,还需要加强管理,提高工人的技能水平,以及加强设备的维护保养,以确保铸造过程的有效运行。
铸造合金收缩实验报告
一、实验目的1. 了解铸造合金在凝固过程中的收缩现象。
2. 掌握铸造合金收缩的基本原理和影响因素。
3. 通过实验验证不同铸造合金的收缩特性。
4. 分析铸造合金收缩对铸件质量的影响。
二、实验原理铸造合金在凝固过程中,由于温度降低,金属原子间的距离减小,导致体积缩小,这种现象称为收缩。
铸造合金的收缩可分为三个阶段:液态收缩、凝固收缩和固态收缩。
1. 液态收缩:液态合金从高温到低温的收缩,表现为液面的降低,常用体积缩小量的百分率表示。
2. 凝固收缩:液态合金从开始凝固至完全凝固过程中的体积缩小现象,包括液相收缩、固相收缩和结晶相变的体积变化。
3. 固态收缩:固态合金从高温到低温的体积收缩,表现为固体合金长度尺的变化量。
铸造合金的收缩性对铸件质量有重要影响,收缩过大可能导致缩孔、缩松等缺陷,影响铸件的使用性能。
三、实验材料与设备1. 实验材料:铝硅合金、铸铁、不锈钢等常用铸造合金。
2. 实验设备:高温炉、浇注系统、冷却水系统、测量仪器等。
四、实验步骤1. 熔炼:将实验材料按照比例放入高温炉中,加热至熔化状态。
2. 浇注:将熔化的合金倒入预热的铸型中,控制浇注速度和温度。
3. 冷却:将铸型放入冷却水系统中冷却,直至铸件凝固。
4. 测量:使用测量仪器测量铸件的尺寸,计算收缩率。
五、实验结果与分析1. 铝硅合金收缩实验:实验结果表明,铝硅合金的液态收缩率为0.6%,凝固收缩率为0.8%,固态收缩率为0.5%。
铝硅合金的收缩率较小,有利于铸件质量的提高。
2. 铸铁收缩实验:实验结果表明,铸铁的液态收缩率为1.0%,凝固收缩率为1.5%,固态收缩率为0.8%。
铸铁的收缩率较大,容易产生缩孔、缩松等缺陷。
3. 不锈钢收缩实验:实验结果表明,不锈钢的液态收缩率为0.5%,凝固收缩率为1.2%,固态收缩率为0.7%。
不锈钢的收缩率介于铝硅合金和铸铁之间。
六、结论1. 铸造合金在凝固过程中存在收缩现象,收缩率受合金成分、浇注温度、冷却速度等因素的影响。
金属铸件应力测定实验报告
金属铸件应力测定实验报告一、实验目的本实验旨在通过对金属铸件应力测定实验的进行,了解金属铸件加工过程中的应力分布情况,并掌握应力测定的方法和步骤。
二、实验原理在金属铸件加工过程中,由于化学成分、凝固过程、热处理等因素的影响,铸件内部会产生应力。
应力的大小和分布对铸件的性能和寿命有着重要的影响。
因此,了解铸件内部应力的大小和分布情况就显得尤为重要。
实验中,常用的应力测定方法有两种:一种是切割法,即在铸件上进行切割,然后测量切口两侧的应力;另一种是钻孔法,即在铸件上钻孔,然后测量钻孔周围的应力。
三、实验步骤1. 准备工作:(1)将需要测定应力的铸件上表面清理干净,去掉表面的氧化物和油污等杂质。
(2)准备好应力测量仪器。
常见的应力测量仪器有应力计、应变计等。
2. 应力测定:(1)切割法:①在需要测定应力的位置上,用锯子或切割机进行切割,切口长度一般为5-10mm。
②用应力计或应变计测量切口两侧的应力,记录数据。
(2)钻孔法:①在需要测定应力的位置上,用钻头在铸件上钻孔,钻孔的深度和直径要足够大。
②将应力计或应变计插入钻孔中,测量钻孔周围的应力,记录数据。
四、实验数据处理将所测得的应力数据进行统计和分析,计算出铸件内部应力的大小和分布情况。
可以建立应力分布图,进一步了解铸件内部应力的分布规律。
五、实验注意事项1. 在进行应力测定实验前,务必保证铸件表面清洁干净,避免杂质的干扰。
2. 在进行钻孔法测定时,要注意钻孔的深度和直径,以免造成铸件的破坏。
3. 在进行数据处理时,要保证数据的准确性和可靠性,避免出现误差。
六、实验结论通过本次实验,我们了解了金属铸件加工过程中应力的产生原因和分布情况,掌握了应力测定的方法和步骤。
实验结果对于进一步提高金属铸件的性能和寿命具有重要的指导意义。
铸造合金中的残余应力分析与控制
铸造合金中的残余应力分析与控制在铸造工艺中,残余应力是一种不可忽视的因素,它对铸件的性能和稳定性有着重要的影响。
合理分析和控制铸造合金中的残余应力,对于提高铸件的质量和寿命具有重要意义。
本文将重点探讨铸造合金中残余应力的产生机制和控制方法。
一、残余应力的产生机制1. 温度差异引起的热塑性残余应力在铸造过程中,液态合金在凝固过程中由于温度变化会出现体积收缩,而模具和模型由于热胀冷缩的原因产生应变。
这种温度差异引起的应变在冷却过程中将会形成残余应力。
2. 金属液态及凝固过程引起的组织和晶体排列的不均匀性金属在凝固过程中由于晶体的生成以及晶界的形成,其组织和晶体排列的不均匀性将导致残余应力的产生。
3. 熔化金属与模型之间的溶解反应在铸造合金中,金属与模型之间会发生溶解反应,而金属的表面会因此产生变化,导致应力的积累。
二、残余应力的分析方法1. 数值模拟分析法利用有限元分析等数值模拟方法,可以对铸造合金中的残余应力进行准确的预测和分析。
通过建立合适的模型和输入相关的工艺参数,可以模拟和分析金属在凝固过程中的应变和应力变化。
2. 试验测量法通过引入适当的试验装置和传感器,可以对铸造合金中的残余应力进行直接测量。
利用应力测量仪器,如应变计和拉压计等设备,可以准确测量不同位置和方向上的残余应力,为分析和改善铸造工艺提供依据。
三、残余应力的控制方法1. 优化铸造工艺参数通过调整铸造过程中的工艺参数,如浇注温度、冷却速率和模具的材料等,可以有效控制残余应力的产生。
选择合适的工艺参数对于减少金属体积收缩和模具热胀冷缩之间的差异是十分重要的。
2. 合理设计铸件结构合理设计铸件的结构,减少应力的集中和应变的局部堆积。
通过合理的几何尺寸和结构设计,可以改善金属的流动性和凝固过程,从而降低残余应力的产生。
3. 采用热处理工艺对于一些易产生残余应力的铸件,在铸造过程结束后,采用适当的热处理工艺可以有效减少残余应力的存在。
热处理过程中的固溶、时效等工艺手段,可以通过改变金属的组织和晶体排列状态,从而减缓和消除残余应力。
铸件充型凝固过程数值模拟
铸件充型凝固过程数值模拟2.1 概述欲获得健全的铸件,必先确定一套合理的工艺参数。
数值模拟或称数值试验的目的,就是要通过对铸件充型凝固过程的数值计算,分析工艺参数对工艺实施结果的影响,便于技术人员对所设计的铸造工艺进行验证和优化,以及寻求工艺问题的尽快解决办法。
铸件充型凝固过程数值计算以铸件和铸型为计算域,包括熔融金属流动和传热数值计算,主要用于液态金属充填铸型过程;铸件铸型传热过程数值计算,主要用于铸件凝固过程;应力应变数值计算,用于铸件凝固和冷却过程;晶体形核和生长数值计算,主要用于金属铸件显微组织形成过程和铸件力学性能预测;传热传质传动量数值计算,主要用于大型铸件或凝固时间较长的铸件的凝固过程。
数值计算可预测的缺陷主要是铸件形成过程中易发生的冷隔、卷气、缩孔、缩松、裂纹、偏析、晶粒粗大等等,另外可以通过数值计算,提出合理的铸造工艺参数,包括浇注温度、铸型温度、铸件凝固时间、打箱时间、冷却条件等等。
目前,用于液态金属充填铸型过程的熔融金属流动和传热数值计算以及用于铸件凝固过程的铸件铸型传热过程数值计算已经比较成熟,逐渐为铸造厂家在实际生产中采用,下面主要介绍这两种数值试验方法。
2.2 数学模型熔融金属充型与凝固过程为高温流体于复杂几何型腔内作有阻碍和带有自由表面的流动及向铸型和空气的传热过程。
该物理过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律,假设液态金属为常密度不可压缩的粘性流体,并忽略湍流作用,则可以采用连续、动量、体积函数和能量方程组描述这一过程。
质量守恒方程∂ u/∂ x+∂ v/∂ y+∂ w/∂ z= 0 (2-1) 动量守恒方程∂(ρ u)/∂t +u ∂(ρ u)/∂ x +v ∂(ρ u)/∂ y +w ∂(ρ u)/∂z= -∂ p/∂ x +μ(∂2u/∂ x2 +∂2v/∂y2 +∂ 2w/∂ z2)+ ρ g x (2-2a) ∂(ρ v)/∂ t +u∂(ρ v)/∂ x +v∂(ρ v)/∂ y +w∂(ρ v)/∂z= -∂ p/∂y+μ (∂2u/∂x2+∂2v/∂y2+∂ 2w/∂ z2)+ρ g y (2-2b) ∂(ρ w)/∂ t +u∂(ρ w)/∂x +v∂(ρ w)/∂ y +w∂(ρ w)/∂ z = -∂ p/∂z+μ (∂2u/∂ x2+∂2v/∂ y2+∂ 2w/∂z2)+ρ g z (2-2c)体积函数方程∂F/∂ t+∂(Fu)/∂ x+∂(Fv)/∂y +∂(Fw)/∂z= 0 (2-3)能量守恒方程∂(ρc p T)/∂t+∂(ρ c p u T)/∂x+∂(ρ c p v T)/∂ y +∂(ρ c p w T)/∂ z= ∂(λT/∂x)/∂x+∂(λT/∂ y)/∂ y +∂(λT/∂ z)/∂ z +q v(2-4)式中u,v,w —— x, y, z 方向速度分量(m/s);ρ——金属液密度(kg/m3);t ——时间(s);p ——金属液体内压力(Pa);μ——金属液分子动力粘度(Pa.s);g x, g y, g z —— x, y, z 方向重力加速度(m/s2);F ——体积函数,0≤F≤1;c p ——金属液比热容[J/(kg.K)];T ——金属液温度(K);λ——金属液热导率[W/(m.K)];q——热源项[J/(m3.s)]。
应力框铸件中铸造应力产生的原因
应力框铸件中铸造应力产生的原因应力框铸件的铸造应力是指在铸造过程中,由于组织形态、内部结构及温度变化引起的内部应力。
这些应力在铸件内部层与外部结构之间产生拉伸、压缩、扭曲、剪切等力。
不同的应力产生不同的影响和破坏效果。
因此,了解应力框铸件中铸造应力产生的原因是非常重要的。
一、铸造过程温度变化引起的应力在铸造过程中,铸液从进料口进入模型,流动过程中发生快速冷却,从而导致铸件中心的内部金属温度变化,由于温度变化引起了内部应力的产生。
铸造过程中,由于再结晶、初晶体生长等金属变形组织的改变,引起了应力场的变化。
这种热塑性变形引起的应力称为形变应力,主要由于金属热膨胀系数、熔点、相变热等因素引起。
二、铸造过程中固态相变引起的应力铸造过程中,液态铸造合金逐渐凝固,由于凝固过程中,组织结构的变化和固态相变的发生引起了应力产生。
例如,在铜铝合金中,由于固态晶体结构的变化引起了单向挤压应力的增加。
这些应力产生的原因主要与合金化学组成、过冷度、膨胀系数、热导率等因素有关。
三、应力框铸件中热应力的原因热应力是由于铸造过程中的温度变化引起的应力。
当液态合金在铸造过程中存在于热点区域中,产生高温下的热应力。
与此同时,冷却时产生的由于非均匀热变和热弹性杜瓦的应力引起了冷态应力的增加。
这些应力的产生与铸型材质、注入速度、冷却速率和温度梯度等因素有关。
四、应力框铸件中非均匀组织结构的原因在铸造过程中,由于组织变形、晶格变化等各种原因,导致合金组织不均匀,这会引起应力。
例如,在合金的高应力区域会产生残余应力。
铸造时费纲图等应用软件可以对不均匀变形进行预测,从而减小残余应力的产生。
以上介绍了应力框铸件中铸造应力产生的原因,每一种应力的产生与合金化学成分、铸造工艺、铸型材料和模具设计等因素有关。
由于铸造应力会影响铸件和工业制品的性能、寿命和质量,因此在铸造技术和模具设计中应引起足够的重视,采取相应的预防措施来降低这种应力的产生。
铸造凝固过程数值模拟
铸造凝固过程数值模拟时间:2007-4-11 9:03:441.1 概述在铸造生产中,铸件凝固过程是最重要的过程之一,大部分铸造缺陷产生于这一过程。
凝固过程的数值模拟对优化铸造工艺,预测和控制铸件质量和各种铸造缺陷以及提高生产效率都非常重要。
凝固过程数值模拟可以实现下述目的:1)预知凝固时间以便预测生产率。
2)预知开箱时间。
3)预测缩孔和缩松。
4)预知铸型的表面温度以及内部的温度分布,以便预测金属型表面熔接情况,方便金属型设计。
5)控制凝固条件。
6)为预测铸应力,微观及宏观偏析,铸件性能等提供必要的依据和分析计算的基础数据。
铸件凝固过程数值模拟开始于60年代,丹麦FORSUND把有限差分法第一次用于铸件凝固过程的传热计算。
之后美国HENZEL和KEUERIAN应用瞬态传热通用程序对汽轮机内缸体铸件进行数值计算,得出了温度场,计算结果与实测结果相当接近。
这些尝试的成功,使研究者认识到用计算数值模拟技术研究铸件的凝固过程具有巨大的潜力和广阔的前景。
于是世界上许多国家都相继开展了铸件凝固过程数据模拟以及与之相关的研究工作。
1.2 数学模型的建立和程序设计液态金属浇入铸型,它在型腔内的冷却凝固过程是一个通过铸型向环境散热的过程。
在这个过程中,铸件和铸型内部温度分布要随时间变化。
从传热方式看,这一散热过程是按导热、对流及辐射三种方式综合进行的。
显然,对流和辐射的热流主要发生在边界上。
当液态金属充满型腔后,如果不考虑铸件凝固过程中液态金属中发生的对流现象,铸件凝固过程基本上看成是一个不稳定导热过程。
因此铸件凝固过程的数学模型正是根据不稳定导热偏微分方程建立的。
但还必须考虑铸件凝固过程中的潜热释放。
基于分析和计算模型开发相应的程序,即可实现铸造凝固过程温度场的计算。
1.3 温度场的数值模拟在热模拟中,温度场的数值模拟是最基本的,以三维温度场为主要内容的铸件凝固过程模拟技术已进入实用阶段,日本许多铸造厂采用此项技术。
铸造残余应力
铸造残余应力及时效方法牟行辉(陕西秦川机床工具集团有限公司,陕西宝鸡 721009)铸件在凝固和冷却过程中,由于各部分的冷却速度差异、收缩受阻、及组织转变引起体积变化等因素,不可避免的会产生铸造应力。
如果铸造应力未得到释放,将会以残余应力的形式保留在铸件内。
铸件的残余内应力越大,会使零件在放置、运转、加工和使用过程产生变形,尺寸精度降低严重时会发生开裂。
1,铸造残余应力的形成铸造残余应力是由铸造应力未得到释放而存在于铸件内部的,铸造应力是热应力、相变应力、机械阻碍应力的代数和。
[1] 1.1,热应力:铸件各部分冷却速度不同,造成各部分的收缩量不一样,但是铸件的各部分连成一个整体,因此在彼此之间会产生制约而产生应力。
这种由线收缩受热阻碍引起的热应力,一般会成为铸件的残余应力。
其大小与铸件的壁厚差异大小有关,铸件壁厚差异越大,残余应力就越大。
1.2,相变应力:铸件冷却过程发生固态相变的时间和程度不同,其体积变化也不一样,各处相互制约,由此会形成相变应力。
相变应力一般会形成铸件的残余内应力。
1.3,机械阻碍应力:铸件冷却到弹性状态,由于受到机械阻碍而产生应力。
如型砂的退让性太差,阻碍铸件收缩,会使铸件产生机械阻碍应力。
这种应力当机械阻碍消除后,部分应力会消失,但不会完全的消失,部分会形成铸件的残余内应力。
2,减少铸件产生残余应力尽管铸件残余应力可以通过时效处理等方式进行消除和降低,但是时效处理并不能完全消除铸件的残余内应力。
残余内应力的大小取决于原始残余应力的大小。
分析铸件残余应力的成因,可以认为,凡是能够减少体积变化(收缩),降低阻碍的因素,均有利于降低铸件残余应力的产生。
具体可以有以下措施: 2.1,在铸造工艺设计时可以通过分型面选择、浇注系统分布、冷铁和保温材料的应用等方式,使铸件实现同时凝固,以减少因铸件结构造成的冷却不均匀;提高砂型的退让性,减少铸型对铸件收缩的阻碍;适当增加铸件在铸型内的冷却时间减弱因空冷造成的各部分冷却不均匀。
基于凝固过程应力控制的板坯内部质量控制方法研究与应用
基于凝固过程应力控制的板坯内部质量控制方法研究与应用张海波
【期刊名称】《宽厚板》
【年(卷),期】2024(30)1
【摘要】为了提高板坯内部质量控制水平,从铸坯凝固过程所受应力对内部质量的影响角度,阐述了铸坯内部缺陷的形成机理,提出铸坯在扇形段内综合受力状态是影响内部质量关键因素的理论。
通过开发极限工况下二冷水控制模型,减少铸坯凝固过程中所受应力,最大拉坯阻力由2 500 kN降低至1 850 kN,铸坯低倍中间裂纹问题得到明显改善,低倍检测B类0.5级~C类1.0级中心偏析占比98%,0.5级以下中间裂纹占比85%,铸坯内部质量控制水平得到明显提升。
【总页数】5页(P12-16)
【作者】张海波
【作者单位】山东钢铁股份有限公司采购中心
【正文语种】中文
【中图分类】TG1
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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(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。
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。
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。
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(图9-1),讨论瞬时应力的发展过程。
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。
铸造热应力计算公式
铸造热应力计算公式铸造是一种重要的制造工艺,通过将熔化的金属或其他材料注入到模具中,然后冷却成型,以制造各种零部件和产品。
在铸造过程中,材料经历了从高温熔化到室温冷却的过程,这个过程中会产生热应力。
热应力是指由于温度变化引起的内部应力,它可能会导致铸件出现裂纹、变形等问题,因此对于铸造工艺来说,热应力的计算和控制至关重要。
热应力的计算是一个复杂的过程,需要考虑材料的热物性参数、凝固过程中的温度场和应力场等因素。
在铸造工程中,通常使用有限元分析等方法来进行热应力的计算,但是对于一些简单的情况,也可以使用一些经验公式来进行估算。
下面我们将介绍一些常用的铸造热应力计算公式。
1. 热应力的基本公式。
在铸造过程中,材料会受到热胀冷缩的影响,从而产生热应力。
热应力的计算公式可以用以下基本公式表示:\[ \sigma_{th} = \alpha \cdot E \cdot \Delta T \]其中,\( \sigma_{th} \) 表示热应力,\( \alpha \) 表示线膨胀系数,\( E \) 表示弹性模量,\( \Delta T \) 表示温度变化。
这个公式是一个简化的计算公式,通常用于对于材料的热应力进行初步估算。
2. 热应力的温度场计算公式。
在铸造过程中,材料的温度场是一个非常重要的参数,它直接影响着热应力的大小。
温度场的计算可以使用以下公式来进行:\[ \Delta T = \frac{Q}{\rho \cdot c \cdot V} \]其中,\( \Delta T \) 表示温度变化,\( Q \) 表示热量,\( \rho \) 表示密度,\( c \)表示比热容,\( V \) 表示体积。
这个公式可以用来计算在给定热量下材料的温度变化情况,从而进一步计算热应力。
3. 热应力的凝固过程计算公式。
在铸造过程中,材料从熔化到凝固的过程中会产生很大的温度变化,这个过程对于热应力的产生有着重要的影响。
铸件凝固模拟动态图形演示技术
铸件凝固模拟动态图形演示技术
刘瑞祥;陈立亮;闵光国;林汉同
【期刊名称】《特种铸造及有色合金》
【年(卷),期】1997(0)4
【摘要】分析了动画显示技术在铸件凝固模拟中的重要作用,简要地介绍了FLC动画原理,并以一定实用程度示范FLC动画文件的制作技术。
读者可将该程序直接用于自己的动画制作,使用方便,适应性较宽。
【总页数】2页(P35-36)
【关键词】凝固模拟;流动模拟;动态演示;FLC动画;凝固;铸件
【作者】刘瑞祥;陈立亮;闵光国;林汉同
【作者单位】华中理工大学
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9;TG244.3
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1.铸件凝固过程组织计算机模拟研究动态 [J], 赵玉珍;史耀武;史立丰
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·960·
铸造
FOUNDRY
!!!!!" 检测技术
!"
铸件凝固过程的应力动态测量方法
Sep. 2007 Vol.56 No.9
!!!!!"
张家锋, 康进武, 柳百成 ( 教育部先进成形制造重点实验室, 清华大学机械工程系, 北京 100084)
摘要: 在砂芯中埋入测力传感器, 间接动态测量了框形铝合金铸件在凝固过程中的应力变化情况。并采用有限差分与
28 890
17 655
4 279
1 115
371
塑 性 硬 化 系 数/MPa
9 676
7 182
3 758
1 568
807
274
226
24
压 (力 ×10) /N
图2 压力与铸件长杆中心点温度的关系 Fig. 2 Pressure versus temperature at center point of casting side pole
试验中测得测力传感器受到的压力与铸件长杆中 心点温度曲线如图2所示。从图2中可以很清楚看到, 总体来说温度较低时测力传感器受到的压力较大; 压 力随温度变化速率最快的是中温阶段, 而在高温、低 温阶段压力变化较为缓慢。上述现象和铸造凝固理论 能够较好符合。浇入金属液之后, 铸件开始凝固, 在 形成固态框架之后就开始产生内应力, 并随着凝固进 程的推进应力不断增大, 测力传感器所受到的压力也 不断增大; 凝固结束后, 铸件的温度仍然很高, 单位 时间降温幅度大, 铸件进一步收缩, 内应力增大, 测 力传感器受到的压力继续攀升; 当铸件温度较低、降
本试验所需要的设备仪器除了合金熔炼、浇注系 统外, 主要有测力传感器、测温热电偶以及数据采集
传统的应力测量手段如盲孔法、剥层法、X射线 系统。其中, 测力传感器使用中国航天科技集团北京
法、磁场法等, 在铸件的残余应力测量领域中具有较 为广泛的应用[2-6]。对于常温、固态的 工件而言, 贴应 变 片 的 方 法 也 能 实 现 应 力 应 变 的 动 态 监 测[7]。 但 铸 造 凝
件施加于砂芯的压缩力的变化情况, 研究其发展规律 固过程中对砂芯施加的压力。铸件设计为方框形, 外框
和内在原因, 间接分析铸件应力的产生和发展; 与此 同时, 采用有限差分与有限元相结合的方法[8], 对该铸
尺寸为310 mm×150 mm, 内框尺寸为260 mm×100 mm, 四周尺寸均匀, 厚度方向为30 mm。浇冒口直接加在端
铸件的应力集中区和危险区做出预测和监控, 是铸造
合金选择: 试验选用目前应用十分广泛的A357铸造
凝 固过程热应力分析的 一个瓶颈。本文作者 在砂芯 中 铝合金, 主要化学成分如表1所示。试验方案设计: 本试
埋入测力传感器, 动态监测凝固过程中框形铝合金铸 验中, 采用砂芯中埋入测力传感器方法, 测量铸件在凝
表1 A357合金的主要化学成分
Table 1 Chemical composition of A357 alloy
元素
Si
Mg
Mn
Cu
Fe
含量
7
0.5
0.1
0.2
0.2
wB ( %) Al
其余
( a) 试验方案图
( b) 试验现场照片
图1 测力传感器和热电偶布置位置
Fig. 1 Position of stress sensor and thermal couples
( 3) 该试验方法能够从一 定程度 上 反 映 铸 件 凝 固 过程中的应力产生和发展变化情况, 结果可靠。
压 (力 ×10) /N
图4 模拟计算侧杆中心截面压力与实测压力曲线比较 Fig. 4 Comparison of calculated force and experiment force
温平缓时, 铸件内应力的变化较小, 测力传感器受到 的压力也基本维持在一个较为稳定的数值, 因此低温 阶段测量压力最大。另外, 铸件在高温和中温阶段停
留时间短, 而高温阶段铸件尚未完全凝固, 压力变化 缓慢, 因此测量压力曲线在中温阶段随温度变化速率 最快。
将试验测得的铸件侧杆中心点温度曲线与模拟计 算结果相对比, 如图3所示。比较发现, 二者较为接 近。在压力数据分析之前, 先做两个假设: ①框形铸 件对于砂型的压缩, 所有压力均分布在铸件内腔长方 体内; ②考虑到砂型小的弹性模量和切向模量, 认为 铸件对于砂型的纵向压力 ( 侧杆轴向) , 均由测力传感 器承担。
件凝固过程进行数值模拟计算分析, 并与试验结果相 部短杆上方。选用S型测力传感器, 端部连接承力杆、
基金项目: 国家重点基础研究发展规划项目 ( 2005CB724105) 。收稿日期: 2007- 05- 20。 作者简介: 张家锋 ( 1980-) , 男, 湖北麻城人, 博士研究生, 主要从事材料热加工过程应力分析及尺寸控制研究。
在上述假设基础上, 根据力学平衡原理, 可认为侧 杆截面压力在数值上与测力传感器所受到压力大小相 等。因此将试验测量的测力传感器所受到的压力与模拟 计算得到的侧杆中心截面压力相对比, 如图4所示。
·962·
FOUNDRY
Sep. 2007 Vol.56 No.9
3 结论
图3 模拟计算与试验测量得到的铸件侧杆中心点温度曲线比较 Fig. 3 Comparison of calculated and experiment temperature histories
E-mail: zhangjiafeng03@mails.tsinghua.edu.cn。
铸造
张家锋等: 铸件凝固过程的应力动态测量方法
·961·
承力片, 传感器工作温度为室温。试验中为了提高测 量精度, 应该让传感器尽量靠近铸件; 同时为了保护 传感器, 应在传感器外面包裹绝热材料进行隔热。具 体 布 置 方 案 如 图1a所 示 。 试 验 采 用 水 玻 璃 石 英 砂 型 。 在造型完成后, 表面钻气孔以便于通二氧化碳气体硬 化 以 及 铸 造 排 气 。 图1b是 浇 注 后 试 验 现 场 图 片 。
Tl /℃ 615
Ts /℃ 555
表3 计算中用到的主要力学性能参数
Table 3 Main mechanical pr oper ties used in the simulation
温 度/℃
21
150
250
320
400
500
510
520
弹 性 模 量/MPa
54 819
38 023
33 840
从图4中可以看到, 模拟计算得到的侧杆中心截面 压力随时间变化规律和试验测得的测力传感器所受到 的压力随时间变化曲线具有很好的相似性, 曲线变化 趋 势 一 致 , 最 终 稳 定 值 分 别 约 为 8×9.8N、 和 7×9.8N。 考虑到试验条件、测量精度的限制, 可以认为二者吻 合良好。
上述结果表明, 试验结果能够和模拟计算较好统 一, 该试验方法能够从一定程度上反映铸件凝固过程 中的应力产生、发展变化情况, 结果可靠。
( 1) 采用在砂芯中埋入测 力传 感 器 的 方 法, 动 态 监测凝固过程中框形铸件施加于砂芯的压力变化, 间 接地测量铸件的应力产生及发展情况。
( 2) 采用有限差分与有限 元相 结 合 的 方 法, 对 试 验中框形铸件凝固过程进行了数值模拟分析, 并将结 果与实测温度、压力曲线比较, 在试验误差范围内可 认为能较好地吻合。
在铸造生产中, 经常由于铸件结构方面的原因及 比较。
工艺处理不当而出现热裂或者在某些部位存在较大的 残余应力和变形, 严重影响了铸件质量和使用寿命,
1 试验方法
给工业生产造成了巨大损失。这两种铸造缺陷都直接 1.1 试验设备仪器
和凝固过程中应力的产生和发展有关, 因此对铸件凝 固 过 程 应 力 的 研 究 和 监 测 具 有 十 分 重 要 的 意 义[1]。
参数 A357
!(/ W·m-1·K-1) 152.00
表2 计算中用到的主要热物性参数
Table 2 Main ther mal pr oper ties used in the simulation
cp(/ J·kg-1·K-1) 962.32
"(/ kg·m-3) 2.68×103
hf(/ J·kg-1) 3.89×105
嘉祥高科技开发公司的BK-2型称重传感器; 测温热电 偶 使 用 普 通K型 热 电 偶 ( 镍 铬-镍 硅) ; 试 验 测 得 的 压 力、温度信号通过数据采集卡采集, 传送到计算机中
固过程中, 由于高温和液固相变的存在, 很难通过试 进行处理。
验方法动态测量铸件应力的分布及发展情况, 难以对 1.2 试验方案
S tudy on Dyna mic Me a s ure me nt of The rma l S tre s s During
S olidifica tion of a Ca s ting S pe cime n
ZHANG J ia -fe ng, KANG J in-wu, LIU Ba i-che ng ( Ke y La bora tory for Adva nce d Ma nufa cturing by Ma te ria ls P roce s s ing Te chnology, De pa rtme nt of
有限元相集成的方法对铸造试件的凝固过程进行了热应力数值模拟。结果表明, 凝固开始后, 铸件对砂芯的压缩力逐 渐增长, 且增大的速度较快; 一定时间之后, 压缩力基本保持在一个稳定值。模拟计算结果能与测量结果较好吻合。
关键词: 砂型铸造; 应力; 动态测量; 数值模拟 中图分类号: TG21+3 文献标识码: A 文章编号: 1001- 4977 ( 2007) 09- 0960- 03