1.2.3 铸造应力、变形与裂纹
第十三十四章铸造应力、变形及热裂
§ 11.1.2 固态有相变的合金瞬时应力的发展过程
§ 11.1.3 铸件在冷却过程产生的机械阻碍应力
§ 11.1.4 影响残余应力因素
§ 11.1.5 减小或消除铸造应力的途径
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§ 11.1.1 固态无相变的合金瞬时应力的发展过程
c. 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。（临时）
B. 按应力存在的时间分：
a.临时应力(temporary stress)：产生应力原因消失，应力便消 失。
b.残余应力(residual stress)：产生应力原因消除后，仍然存在
的应力。
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§ 11.1 铸件在冷却过程中产生的应力 4
早在1867年俄国学者卡拉库特斯基就研究了铸钢 锭内产生的应力。1907年德国学者Heyn对参与应力的 产生进行了系统的分析。我们站在前人研究的基础上 对他们的理论进行修正。下面从以下几个方面进行讲 解：
压应力，杆I 内为拉应力。
阶
应该指出，合金在高温时，特别是
段
在固相线以上，屈服极限很低，铸件内
产生的应力很容易超出屈服极限，发生
塑性变形，使完全卸载时刻早于τ3。
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§ 11.1.1 固态无相变的合金瞬时应力的发展过程 8
线收缩开始
温度
Байду номын сангаас第三阶段(τ2～τ3)：两杆的温差逐渐减
第十一章 铸造应力变形及冷裂纹
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
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
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：
1.? 0 ? ?1 : tⅡ ? t y , tⅠ ? t y
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
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。
产生原因 热应力、相变应力和机械阻碍应力
应力分类
存在时间 临时应力与残留应力 应力状态 拉应力和压应力
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。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 。
一、变形
10－3 铸件的变形和冷裂
1.变形的概念 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。
3.? 2 ? ? 3
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：
? l2 ? ? ?? t H ? ? ? tmax L ? ? ? l1
金属工艺学选择题填空题判断题简答题(含详细答案)
铸造试题一、填空1.金属凝固组织对其物理性能力学性能影响很大，金属结晶时冷却速度越快，则晶粒__越小_，材料的强度和硬度越_高_，塑性和韧性_越好_。
逐层凝固合金，其充型能力较_强_。
2.铸件的三种凝固方式是逐层凝固、糊状凝固、中间凝固，那种凝固易于出现缩松_糊状凝固_，那种易于出现缩孔逐层凝固，那种缺陷容易消除缩孔，采取_顺序凝固_方法。
哪种铁碳合金易于出现逐层凝固？共金白口铸铁3.合金的收缩可分为三个阶段，各是_液态收缩，凝固收缩，固态收缩_。
_固态收缩受到阻碍_是铸件产生内应力，变形和裂纹的主要原因。
内应力分为热应力和机械能力4.铸件各部分的壁厚差异过大时，在厚壁处易产生缩孔_缺陷，在薄壁与厚壁的连接处因冷却速度不一致易产生裂纹缺陷。
当铸件壁厚不均时，凝固成形后的铸件易在壁厚处产生拉应力。
5.常见的铸造方法有砂型铸造、压力铸造、_熔模铸造、金属型铸造、消失铸造、离心铸造等。
在各种铸造方法中，适应性最广的是_砂型铸造，生产率最高的是_压力铸造_，易于获得较高精度和表面质量的是_压力铸造或熔模铸造，对合金流动性要求不高的是_压力铸造或离心铸造_。
6.标志合金的铸造性能的指标有充型能力、和收缩性等。
影响它们的因素有成分、浇注温度、模型蓄热能力等。
7.为了防止铸件变形,再进行铸件结构设计时,应力求壁厚_均匀_,形状_简单对称_。
8.当铸件收缩受阻时,就可能发生_裂纹_、_变形_等缺陷;因此如轮形铸件的轮辐应设计为_奇_数或做成__弯曲_形状。
9.在铸件设计中,铸件垂直于分型面的侧壁应给出__拔模/起模斜度_,铸件壁的转角及壁间联接处均应考虑_过度圆角_,壁厚不仅要防止_过厚,而且要防止_过薄,以防止_浇不足或冷隔。
二、选择题1.铸造硬币的金属材料不需要考虑的因素是(B)A硬度B、导电性C、耐腐蚀性D、价格2.在铸造中，通常用(C)的方法生产铸铁件。
i.金属型铸造B•压力铸造ii.砂型铸造D•任何铸造3．铸件产生缩松、缩孔的根本原因(D)。
铸造变形与裂纹的原因分析【全面解析】
铸件在冷却过程中，其固态收缩受到阻碍时，就会在铸件内部产生应力，称为铸造应力，该应力是铸件产生变形、冷裂和热裂等缺陷的主要原因。
1.铸造应力的形成:铸造应力按产生原因的不同可分为热应力、相变应力和收缩应力。
(1)热应力：热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分的冷却速度不同，以致在同一时间内，铸件各部分收缩不一致而造成的．通常，热应力使铸件的厚壁处或心部受拉伸，薄壁处或表层受压缩．合金的固态收缩率越高、铸件的壁厚差越大，热应力也越大．预防产生热应力的基本途径是尽量减小铸件各部分的温度差，使铸件均匀地冷却．因此，设计铸件结构时，应尽量使铸件壁厚均匀，避免金属聚集，并在铸造工艺上采取必要的措施，如采取同时凝固原则．(2)相变应力：铸件各部位在不同的时间产生相变而引起的应力称为相变应力．(3)收缩应力：它是铸件收缩受到机械阻碍而形成的应力，因此又称为机械应力．形成机械阻碍的原因很多，如型砂舂得过紧，型砂或芯砂的高温强度太高、退让性差等．这种应力是暂时的，故又称为暂时应力．当机械阻碍的原因一经消失，应力即自行消失．由于铸件高温强度低，当应力超过其高温强度时，在应力集中的部位，容易产生裂纹(热裂)．铸造应力是收缩应力、热应力和相变应力的综合．根据铸件的具体情况，三种应力有时互相抵消，有时互相叠加；有时是暂时存在，有时则残留下来．铸件冷却过程中所产生的铸造应力，如超过该温度下合金的屈服强度，则将产生残留变形；如超过其抗拉强度，则将产生裂纹．如在弹性强度范围内，则以残留应力的形式存在铸件内，这样就可能降低其机械强度；E——合金的弹性模量，MPa．测定铸件热处理后应力的消除程度时，可随铸件一起铸出两批应力框，其中一批不经热处理而测定其内应力值(如为σ1)；另一批随铸件一起热处理，再测定其内应力值(如为σ2)，应力消除的程度就可按下式算出：2.铸件的变形及其防止热应力是铸件产生变形和裂纹的内在原因．铸件的薄壁部分(或外层)冷却较快，残留有压应力，厚壁部分(或内层)冷却较慢，残留有拉应力．具有内应力的铸件处于不稳定状态，能自发地进行变形以减小内应力，使其趋于稳定状态．变形的结果将使铸件产生弯曲．细而长或大而薄的铸件，更易变形．为防止变形，应尽可能使铸件壁厚均匀或使之形状对称．对铸造工艺上应采取措施，力求使其同时凝固．有时，对长而易变形的铸件，在制模时，将木模制成与铸件变形相反的形状，用以抵消铸件产生的变形，这种方法称为反变形法．尽管铸件冷却时发生了一定的变形，但铸造应力仍难以彻底去除．经机械加工后，这些内应力将重新分布．铸件还会逐渐地发生变形，使加工后的零件丧失了应有的精度，严重影响机械产品质量．为此，不允许变形的重要铸件，必须采取自然时效或人工时效方法，将残留的内应力有效地去除．所谓人工时效是将铸件进行低温退火，它比自然时效节省时间，应用广泛．铸件的裂纹及其防止当铸造应力超过金属的强度极限时，铸件则发生裂纹．裂纹是铸件的严重缺陷，必须设法防止．1．热裂热裂是在凝固末期高温下形成的裂缝，其形状特征是裂纹短，缝隙宽，形状曲折，缝内金属呈氧化色(黄紫色)．热裂是铸钢和铸铝合金件中常见的缺陷．为防止产生热裂，除了使铸件的结构设计合理外，还应合理地选择型砂或芯砂的黏结剂，以改善其退让性，大的型芯可制成中空的或内部填以焦炭．同时，应严格限制钢和铸铁中的含硫量，因为硫能增加热脆性，使合金的高温强度降低．2．冷裂冷裂是在较低温度下形成的，并常出现在受拉伸的部位，其裂缝细校呈连续直线状，缝内干净，有时呈轻微氧化色．壁厚差别大、形状复杂的铸件，尤其是大而薄的铸件容易发生冷裂．凡是减小铸造内应力或降低合金脆性的因素，均能防止冷裂的形成．钢和铸铁中，磷能显着降低合金的冲击韧性，增加脆性，因此，在熔炼金属过程中，必须对磷加以严格控制．。
铸造工程概论思考题
2．铸造合金成形基本原理1.试述液态金属的充型能力和流动性之间在概念上有什么区别？充型能力是指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。
流动性是指液态铸造合金自身的流动能力。
首先，充型能力取决于铸造合金的流动性，同时又受外界条件的影响，如铸型性质、浇注条件、铸件的结构等，是各种因素的综合反映。
2. 铸件的凝固方式有几种？凝固方式对铸件的质量有何影响？如何对铸件的凝固方式进行控制？（1）三种：逐层凝固、体积凝固（粥状凝固）和中间凝固。
（2）a.逐层凝固产生缩松的倾向小，这类合金的补缩性好，集中缩孔比较容易消除，有益于消除热裂，可以得到比较致密的铸件。
b.体积凝固会在铸件中形成许多分散的小缩孔，即缩松，这样的合金铸件产生热裂的倾向性很大。
c.中间凝固方式的合金铸件的缩松倾向和热裂倾向介于逐层凝固和体积凝固方式之间。
（3）a.凝固区域（固+液区域）越大，越趋向于体积凝固b.铸件断面温度梯度越大，则趋向于层状凝固含碳量升高时，钢由层状转变为体积，铸铁由体积变为层状3. 何谓合金的收缩？其影响因素有哪些？铸造合金在液态、凝固态和固态的冷却过程中，由于温度降低而引起的体积减小现象，称为收缩。
影响因素：合金本身的特点、铸造工艺特点、铸件结构形状、液态合金溶解的气体量。
4. 铸造内应力、变形和裂纹是如何形成的？如何消除铸件的应力？如何防止铸件裂纹的产生？（1）内应力：铸件凝固后在冷却过程中，由于温度下降将继续收缩。
有些合金还会发生固态相变而引起收缩或膨胀，这导致铸件的体积和长度发生变化。
若这种变化受到阻碍，就会在铸件内产生应力，称为铸造应力。
1）热应力：铸件在冷却过程中，由于铸件各部分冷却速度不同，导致在同一时刻各部分收缩量不同，铸件内彼此相互制约便产生热应力。
2）相变应力具有固态相变的合金铸件，由于在冷却过程中散热和冷却条件不同，铸件各部分达到固态相变温度的时间也不同，因而各部分相变的程度不一样，相变产物往往具有不同的比容，由此而引起的应力称为相变应力。
3.3.2 铸件的变形、裂纹
铸件的变形、裂纹副教授：陈云铸件的变形、裂纹变形裂纹残余热应力的存在，使铸件处在一种非稳定状态，将自发地通过铸件的变形来缓解其应力，以回到稳定的平衡状态。
当铸造内应力超过金属的强度极限时，铸件便产生裂纹(热裂纹与冷裂纹）。
一、铸件的变形具有残余应力的铸件是不稳定的，它将自发地通过变形来减缓其内应力，以便趋于稳定状态。
只有原来受拉伸部分产生压缩变形、受压缩部分产生拉伸变形，才能使残余内应力减小或消除。
厚部、心部受拉应力，出现内凹变形；薄部、表面受压应力，出现外凸变形车床床身的导轨部分厚，侧壁部分薄，铸造后导轨产生拉应力，侧壁产生压应力，往往发生导轨面下凹变形。
将一刚生产出来的圆柱体铸件，作如下加工：1、将铸件外表面车掉一层；2、将铸件心部钻一通孔；3、将铸件侧面切去一部分；问：在这三种情况下铸件会发生什么变化？防止变形的方法与防止铸造应力的方法基本相同。
此外，工艺上还可采取某些措施，如反变形法；对某些重要的易变形铸件，可采取提早落砂，落砂后立即将铸件放入炉内焖火的办法消除机械应力。
二、铸件的裂纹当铸造应力超过金属的强度极限时，铸件便产生裂纹，裂纹是严重的铸造缺陷，必须设法防止。
按裂纹形成的温度范围可分为热裂纹和冷裂纹两种。
1、热裂纹热裂纹是在凝固末期高温下形成的裂纹。
其形状特征是缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。
铝合金6061圆铸锭 100X热裂纹在金相分析上的形状表现为锯齿状裂开，裂纹弯曲、分叉或呈网状、圆弧状，断口位置处裂纹凹凸不平。
热裂纹一般分布在应力集中部位(尖角或断面突变处)或热节处。
防止热裂纹的方法：使铸件结构合理，减小浇、冒口对铸件收缩的机械阻碍，内浇口设置应符合同时凝固原则。
此外减少合金中有害杂质硫、磷含量，可提高合金高温强度，特别是硫增加合金的热脆性，使热裂倾向大大提高。
2、冷裂纹冷裂纹是铸件处于弹性状态即在较低温下形成的裂纹。
其形状特征是裂纹细小、连续直线状，有时缝内呈轻微氧化色。
铸件加工后的变形原因
铸件加工后的变形原因
铸件加工后出现变形的原因可能有多种，以下是一些可能的原因：
1. 冷却不均匀，在铸件加工过程中，如果冷却不均匀，不同部位的温度会有差异，导致材料的收缩程度不一致，从而引起变形。
2. 内部应力，在铸件加工过程中，如果材料内部存在应力，加工后可能会导致变形。
这种应力可能是由于材料的组织结构不均匀或者冷却过程中产生的。
3. 设计不当，铸件的设计如果不合理，例如壁厚不均匀、结构不稳定等，加工后可能会出现变形。
4. 加工工艺不当，如果加工过程中的温度、压力、速度等参数控制不当，也会导致铸件加工后出现变形。
5. 材料选择不当，选择的材料性能不符合要求，或者材料质量不稳定，也会导致铸件加工后出现变形。
6. 模具问题，模具的设计和制造质量不良，或者使用过程中出现损坏，都可能导致铸件加工后出现变形。
7. 外部环境因素，外部环境因素，如温度变化、湿度变化等，也可能对铸件加工后的变形产生影响。
综上所述，铸件加工后出现变形可能是由于材料本身、加工工艺、设计、模具以及外部环境等多种因素共同作用的结果。
因此，在加工铸件时，需要综合考虑以上因素，采取合理的措施来预防和解决铸件变形问题。
材料成型复习题与答案2
4．制定铸造工艺图时，选择浇注位置的主要目的是保证铸件的质量，而选择分型面的主要目的是在是保证铸件的质量的前提下简化造型工艺。（O）
5．浇注位置选择的原则之一是将铸件的大平面朝下，主要目的是防止产生缩孔缺陷。 （×）
坯料直径：φ100选择原因：局部镦粗时保证高径比＜2.5
图7-3
4．如图7-5所示，通常碳钢采用平砧拔长，高合金钢采用V型砧拔长，试分析砧型对钢的变形有何影响?
V型砧使压应力数目增多，提高金属的可锻性，适合于拔长塑性较差的高合金钢。
图7-5
5．如图7-6所示支座零件，采用自由锻制坯，试修改零件结构设计不合理之处。
D．局部镦粗→拔长φ100→拔长φ60→切断。图7-1
7-3应用题
1．试分析如图7-2所示的几种镦粗缺陷产生的原因（设坯料加热均匀）。
双腰鼓形 镦弯 镦歪
锻锤吨位小， 高径比过大（＞2.5)， 端面不平行与轴线不垂直
（a）（b）（c）
图7-2
2．如图7-3所示的整体活塞采用自由锻制坯。试在右侧双点划线绘制的零件轮廓图上定性绘出锻件图，选择合理的坯料直径（现有圆钢直径有：φ120、φ110、φ100、φ90、φ80、φ70），并说明理由，拟定锻造基本工序，在表7-1中画出工序简图。
4-2 选择题
1．如图4-1所示的零件采用砂型铸造生产毛坯。与图中所示的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分型方案相适应的造型方法分别为（C）、（D）、（B）、（B）。其中较合理的分型方案是（Ⅳ）。
A． 整模造型；B．分模造型；C．活块造型；D．挖砂造型；E．三箱造型。
图4-1
铸造裂纹产生的原因和避免的措施
在所有的铸造缺陷中，对产品质量影响最大的是铸造裂纹，按照其特征可将其分为热裂纹和冷裂纹，它们是不允许存在的缺陷。
（1）热裂纹热裂纹是铸件在凝固末期或凝固结束后不久，铸件尚处于强度和塑性都很低的高温阶段，形成温度在1250~1450℃，因铸件固态收缩受阻而引起的裂纹。
热裂纹的主要特征有：•在晶界萌生并沿晶界扩展，形状粗细不均匀、曲折不规则；•通常呈龟裂的网状；•裂纹的表面呈氧化色，无金属光泽，铸钢件裂纹表面呈近似黑色；•裂纹末端圆钝，两侧有明显的氧化和脱碳，有时有明显的疏松、夹杂、孔洞等缺陷。
按照热裂纹在铸件中的形成位置，又可将其分为外裂纹和内裂纹。
•在铸件表面可以看到的热裂纹为外裂纹，外裂纹常产生在铸件的拐角或局部凝固缓慢、容易产生应力集中的位置，其特征是：表面宽，心部窄，呈撕裂状，有时断口会贯穿整个铸件断面。
•内裂纹一般发生在铸件内部最后凝固的部位，其特征是：形状不规则，裂纹面常伴有树枝晶。
通常情况下，内裂纹不会延伸到铸件表面，内裂纹的一个典型例子是冒口切除后根部所显露的裂纹。
热裂纹的形成原因可归纳为：1.浇铸冷却过程中收缩应力过大；2.铸件在铸型中收缩受阻；3.铸件冷却不均匀；4.铸件结构设计不合理，存在几何尺寸突变；5.有害杂质在晶界富集；6.铸件表面与涂料之间产生了相互作用。
（2）冷裂纹冷裂纹是铸件凝固结束后继续冷却到室温的过程中，因铸件局部受到的拉应力大于铸件本体的破断强度而引起的开裂。
冷裂纹的主要特征有：1.总是发生在承受拉应力的部位，特别是铸件形状、尺寸发生变化的应力集中部位；2.裂纹宽度均匀、细长，呈直线或折线状，穿晶扩展；3.裂纹面比较洁净、平整、细腻，有金属光泽或呈轻度氧化色；4.裂纹末端尖锐，裂纹两侧基本无氧化和脱碳，显微组织与基体的基本相同。
冷裂纹产生的原因，可归纳为：1.铸件结构系统设计不合理，铸件壁厚不均匀会导致铸造应力，有时会产生冷裂纹，刚性结构的铸件，由于其结构的阻碍，温度降低导致的收缩应力容易使铸件产生冷裂纹，薄壁大芯、壁薄均匀的铸件非常容易产生冷裂纹；2.浇冒口系统设计不合理，对于壁厚不均匀的铸件，如果内浇口设置在铸件的厚壁部分时，将使铸件厚壁部分的冷却速度更加缓慢，导致或加剧铸件各部分冷却速度的差别，增大了铸造热应力，容易使铸件产生冷裂纹，浇冒口位置设计不当时，也会直接阻碍铸件收缩，使铸件容易产生冷裂纹；3.型砂或型芯的强度太高，高温退让性差，或舂砂过紧，使铸件收缩受到阻碍，产生很大的拉应力，导致铸件产生冷裂纹；4.钢的化学成分不合格，有害元素磷含量过高，使钢的冷脆性增加，容易产生冷裂纹5.铸件开箱过早，落砂温度过高，或者在清砂时受到碰撞、挤压等都会引起铸件的开裂。
金属工艺学铸造
• 铸件的常见缺陷 ： • 砂型铸造铸件缺陷有：冷隔、浇不足、气孔、粘砂、夹砂、砂眼、胀砂等。 • 1．冷隔和浇不到 • 液态金属充型能力不足，或充型条件较差，在型腔被填满之前，金属液便停 止流动，将使铸件产生浇不足或冷隔缺陷。
• 浇不到时，会使铸件不能获得完整的形状； • 冷隔时，铸件虽可获得完整的外形，但因存有未完全融合的接缝，铸件的力 学性能严重受损。 • 防止浇不足和冷隔：提高浇注温度与浇注速度。 • 2．气孔 • 气体在金属液结壳之前未及时逸出，在铸件内生成的孔洞类缺陷。防止气孔 的产生：降低金属液中的含气量，增大砂型的透气性，以及在型腔的最高处 增设出气冒口等。 • 3．粘砂 • 铸件表面上粘附有一层难以清除的砂粒防止粘砂：在型砂中加入煤粉，以及 在铸型表面涂刷防粘砂涂料等。
3.挖砂造型
第二篇 铸造（2－19）
挖砂造型的特点及应用
• 特点： 模样为整体模，造型时需挖去阻碍起模 的型砂，故分型面是曲面。造型麻烦，生 产率低。 • 应用范围： 单件小批生产模样薄、分模后易损坏或 变形的铸件。
砂
芯：为获得铸件的内孔或局部外形，用芯砂 或其他材料制成的，安放在型腔内部的铸型组元。 芯 盒：制造砂芯所用的装备。
三 造型和制芯 （一）造型 1 ，手工造型
（1）整模造型：适合形状简单且横截面依次减小的铸件 （2）分模造型：适于最大截面在中间的铸件 （3）挖砂造型：分型面不是平面的铸件单件小批生产 （4）活块造型：适于带有难起模的凸起部分的铸件 （5）刮板造型：适于大中型回转体的铸件 （6）多箱造型：适于形状复杂中间截面小的铸件
缩松的形成 ：主要出现在呈糊状凝固方式的合金中或断面较大 的铸件壁中，是被树枝状晶体分隔开的液体区难以得到补缩所致。 缩松大多分布在铸件中心轴线处、热节处、冒口根部、内浇口附 近或缩孔下方，如图1-7所示。
制品的应力、变形和裂纹
二、变形和裂纹
（一）铸件的变形 1.铸件中的挠曲变形 当铸件中的残余应力以热应力为主时， 铸件中冷却快的部分受压应力； 铸件中冷却慢的部分受拉应力。 受压部分产生拉伸变形，可减小应力； 受拉部分产生压缩变形，可减小应力。 因此产生挠曲变形。
二、变形和裂纹
（二） 铸件的裂纹 2. 冷裂 （1）特征：铸件处于弹性状态时，铸造应力超过了合金的强度
极限，裂纹呈连续直线或圆滑曲线形状，断口为穿晶断裂， 有金属光泽。 （2）影响因素： ➢ 合金性质：材质不同，强度不同，
增加脆性的元素和夹杂物，易冷裂 磷易在钢中形成磷共晶，易冷裂 ➢ 开箱时间：开箱早，温差大，热应力大，易冷裂 水爆清砂易产生冷裂纹
棒内存在残余拉应力。
谢 谢！
二、变形和裂纹
O
N
E
T字形梁铸件挠曲变形情况
机床床身变形示意图
二、变形和裂纹
铸件的变形示意图
释放应力 的过程伴 随着变形
过程
二、变形和裂纹
（一）铸件的变形 2. 防止变形的措施 （1）提高铸型的刚度 （2）延迟打箱时间 （3）采取反变形工艺 （4）设置变形筋 （5）改变铸件结构
二、变形和裂纹
当温度应力>σS ，冷却至室温
薄处先凝，受压 铸造应力框
厚处后凝 ，受拉
++-
t0~t1: t1~t2： t2~t3：
T T
1
H
1
2
T
塑性状态
临
T室 t
2 t t2
弹性状
态
t t3
11
01
铸造-应力、变形、冷裂
第二章铸件的应力前一章内容总结前一章主要讲解“铸件宏观凝固组织及控制”，通过一系列的工艺措施，可以尽可能多地得到细小的等轴晶粒组织，这样可以保证得到强度和韧性都非常良好的铸件。
得到了理想的细晶组织，是否铸件的成型就完成了？完美金相就拿这个暖气片来说，天气太冷，老板通过市场调查，让你开发暖气片，还答应你，干好了先让你用。
你高兴，美梦。
你在生产过程中，采取了各种措施，得到了一个具有理想组织的铸件，但是当你将铸件往一块装配的时候，这两个口应该对起来，但是如果铸件产生变形，一个距离长，一个距离短，两个照不起来，铸件报废。
另外一个问题，你看着铸件的外表没有什么问题，你把这个铸件装配起来，结果一通压力，漏水了。
美梦变恶梦什么原因造成的？这些都是在后面要讲的。
首先：介绍铸件中的应力2.1 概述2.1.1 金属（合金）→冷却降温→凝固（收缩膨胀）→继续降温→固态相变（体积收缩或膨胀）→体积变化→体积变化受阻→铸件内产生应力→内应力2.1.2铸造应力的分类：应力铸造应力：铸件在铸造过程中在内部所产生的应力。
临时应力：铸造过程中，产生应力的原因消除后应力消失：残余应力:：铸造过程中，产生应力的原因消除后应力依然存在，这种应力称为：（铸造）残余应力。
以上两种应力是从时间上分类的。
按应力产生的原因有以下三种：热应力、相变应力、机械阻碍应力、关于这几种应力，我们在后面将逐一给以详细的介绍。
2.1.3应力对铸件的影响低于弹性极限：铸件中产生应力，同时在应力的作用下，产生有限的变形（弹性变形）高于屈服极限：铸件产生塑性变形；高于强度极限：铸件中出现裂纹。
因此，在这一章中，将应力、变形、裂纹放在一起讲解。
在应力的作用下，铸件如何变形和出现裂纹，也将在后面相应的章节中介绍。
2.2热应力：2.2.1概念热应力：铸件冷却过程中，由于各部分冷却速度不同，收缩时间及收缩量不同，铸件由于结构所限，相互制约，不能完成各自的理论变形，结果：在铸件内所产生的应力。
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§2铸件的凝固与收缩
凝固—金属从液态转变为固态的过程。这个转变期 称为凝固期。
一 .铸件的凝固方式
实验：做几个直径相同
的球铸型，一次同时浇注
经过不同时间，先后拔掉
泥芯。倒出液态金属，
测量硬壳厚度，画出
凝固厚度—时间曲线。
泥 芯
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厚度 3 2 1
1--φ75
2—φ125
3—φ260
精心整理
3 . 中间凝固---凝固区介于1、2之间。大多数合 金的凝固方式属于这种凝固方式。
精心整理
铸件凝固方式对铸件质量的影响： 凝固过程实质是金属的结晶过程，它从两方 面影响铸件的性能： 1）形成的金相组织-----晶粒的大小、形状及晶 粒的内部缺陷等影响合金的机械性能； 2）金属的致密度-----液态金属结晶为固态，引 起的体积收缩所形成的孔洞，若得不到液态 金属的补缩，将产生铸造缺陷，影响合金的 致密性及强度。
精心整理
σ σ
精心整理
Al---Si 合金的高温强度
σ 500℃
固相线精心整理
T℃
影响热裂形成的因素 （1）合金性质
合金结晶温度 T℃
范围越宽，
热裂倾向性
越大。
热
裂
倾
向
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线收缩 开始温度
固 相 线
此外，合金中的一些其它元素对其热裂 倾向也有一定的影响。如：碳素钢中的S、
P、Si, Mn 四种因素对热裂性的影响。
精心整理
2 .机械应力（收缩应力）
由于收缩受阻，产生的都是拉应力或剪应力。
因为是产生在弹性状态下，落砂后随着产生弹 性变形而消失，为临时应力。（但产生弹性变 形的应力仍然留在弹性体内）
1.2.3 铸造应力、变形与裂纹解析
d) 设计结构时避免应力集中；
1.2.3 铸造内应力、变形及裂纹
本节内容回顾：
重点：铸造内应力的分布、形成及预防，变形和 裂纹的预防； 难点：铸造热应力的形成及分布规律，铸件的变 形规律——需理解 ！
4）铸造内应力的预防 a）采用同时凝固的原则 同时凝固是指通过设置冷铁、 布置浇口等工艺措施，使铸件温差尽量变小，基本实现 铸件各部分在同一时间凝固，可有效降低4）铸造内应力的预防 b）提高铸型温度（对铸型进行预热） c）铸件壁厚设计均匀 d）改善铸型和型芯的退让性 e）进行去应力退火 预防热应力 预防机械应力
浇注温度 铸件结构 本节内容
铸造内应力、变形和裂纹
铸型条件
§1-2 金属液态成形的基本原理
1.2.3 铸造内应力、变形及裂纹
1、铸造内应力
铸造内应力——铸件固态收缩受到阻碍产生的内部应力。
铸件 冷却
受约束
完全冷却后 瞬时应力与 残余应力 应变 与变形
1）铸造内应力的种类
2）铸造内应力的形成原理 3）铸造内应力的预防
超过材料强度极限而引起的开裂。
冷裂常常出现在铸件形状复杂受拉
伸处，特别是应力集中部位。壁厚不均 匀、形状复杂的大型铸件容易产生冷裂 纹。
冷裂裂纹穿晶断裂，裂纹细小，外形呈 连续直线状或圆滑曲线状，裂纹缝内干 净，有时呈轻微氧化色。
铸件尖角部位的裂纹
1.2.3 铸造内应力、变形及裂纹
2）铸件裂纹的预防措施 a) 改善铸型的退让性；
§1-2 金属液态成形的基本原理
内容回顾
1）合金的流动性 2) 合金的充型能力
机械制造基础第十章铸造习题解答
第十章铸造习题解答10-1 试述铸造生产的特点，并举例说明其应用情况。
答：铸造生产的特点有：①铸造能生产形状复杂，特别是内腔复杂的毛坯。
例如机床床身、内燃机缸体和缸盖、涡轮叫叶片、阀体等。
②铸造的适应性广。
铸造既可用于单件生产，也可用于成批或大量生产；铸件的轮廓尺寸可从几毫米至几十米，重量可从几克到几百吨；工业中常用的金属材料都可用铸造方法成形。
③铸造成本低。
铸造所用的原材料来源广泛，价格低廉，还可利用废旧的金属材料，一般不需要价格昂贵的设备。
④铸件的力学性能不及锻件，一般不宜用作承受较大交变、冲击载荷的零件。
⑤铸件的质量不稳定，易出现废品。
⑥铸造生产的环境条件差等。
10-2 型砂由哪些材料组成？试述型砂的主要性能及其对铸件质量的影响。
答：型砂由原砂、粘结剂和附加物组成。
型砂的主要性能有：①耐火度。
型砂的耐火度好，铸件不易产生粘砂缺陷。
②强度。
若强度不足，铸件易产生形状和砂眼等缺陷。
③透气性。
透气性差，浇注时产生的气体不易排出，会使铸件产生气孔缺陷。
④可塑性。
可塑性好，造型时能准确地复制出模样的轮廓，铸件质量好。
⑤退让性。
退让性不好，易使铸件收缩时受阻而产生内应力，引起铸件变形和开裂。
10-3 试列表分析比较整模造型、分模造型、挖砂造型、活块造型和刮板造型的特点和应用情况。
答：列表进行比较：10-4 试结合一个实际零件用示意图说明其手工造型方法和过程。
答：以双联齿轮毛坯手工造型为例，手工造型过程如下：①造下砂型——②造上砂型——③开外浇口、扎通气孔——④起出模样——⑤合型——⑥浇注铁水——⑦带浇口铸件。
10-5 典型浇注系统由哪几个部分组成？各部分有何作用？答：典型浇注系统由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道组成。
浇口杯的作用是将来自浇包的金属引入直浇道，缓和冲击分离熔渣。
直浇道为一圆锥形垂直通道，其高度使金属液产生一定的静压力，以控制金属液流入铸型的速度和提高充型能力。
横浇道分配金属液进入内浇道，并起挡渣的作用，它的断面一般为梯形，并设在内浇道之上，使得上浮的熔渣不致流入型腔。
第12章 应力、变形及裂纹..
材料成型与控制专业
1/54
• 1、概念： • 内应力：热加工中，工件因经历加热件体积和形态都 发生变化。若该变化受阻碍，便在工件中产生 应力，称为内应力。 • 铸造应力：内应力在铸造中称为铸造应力。 • 瞬时应力：在加热冷却过程中形成的应力称为 瞬时应力。 • 残余应力：完全冷却后残存在工件中的应力， 称为残余应力。
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杆Ⅰ和杆Ⅱ的冷却曲线
•
杆Ⅰ较厚，冷却前 期杆Ⅰ冷速比杆Ⅱ小； 因两杆温度最终相同， 冷却后期杆Ⅰ冷速比 杆Ⅱ大。
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杆Ⅰ和杆Ⅱ的收缩率曲线
• 由于铸件自由收缩 率与温度成正比，故该 曲线外形与冷却曲线一 致。虚线C0C1C2C3为两 杆联在一起收缩后的曲 线。
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在时间 t0—t1 内， TⅠ 、 TⅡTk ， 杆Ⅰ和杆Ⅱ均处于塑性状态。 杆Ⅰ被塑性压缩，杆Ⅱ被塑性 拉伸。铸件不产生热应力。 在 时 间 t1—t2 内 ， TⅠTk 、 TⅡTk，杆Ⅰ仍处于塑性状态， 杆Ⅱ处于弹性状态。铸件收缩 由变形困难的杆Ⅱ决定，杆Ⅰ 处于塑性状态对杆Ⅱ无阻力。 铸件仍不产生热应力。
三、减小或消除应力的途径
• • • • • （一）合理的结构设计 1、铸件的壁厚差要尽量减小； 2、厚薄壁连接处要圆滑过渡。 3、铸件厚壁处砂层要减薄（加大冷速），或放置冷铁； 4、合理设计浇冒口，尽量使铸件各部分温度均匀。
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（四）机械阻碍应力 工件冷却过程中产生的收缩，受到外界的阻碍而产生 的应力称为机械阻碍应力。 1、 机械阻碍的来源： （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、防裂肋、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。 2、机械阻碍应力的影响： （1）机械阻碍应力可使工件产生拉伸或剪切应力。 （2）若应力是在弹性范围内，当阻碍消除后，则应力消 失。 （3）但是当阻碍应力与其它应力同时作用且方向一致时， 则会促使内应力加剧，甚至导致工件中出现裂纹。
铸造应力变形及裂纹
9.1铸造应力
铸件在凝固、冷却过程中，由于受阻收缩、热 作用和相变诸因素引起的应力，称为铸造应力。
铸造应力按其形成原因分为类： 热应力 相变应力 机械阻碍应力
铸造应力的形成
温度 变化
热膨胀 受阻 或收缩
热应力（自身拘束） 机械阻 碍应力（外部拘束）
受阻
固态相变
相变应力
（伴随比容变化）
9.1.1热应力
而移即粗，粗杆 其 杆仍 温 的处 差 自于 逐 由凝 渐 线固 增 收初 大 缩期 。 速， 如 度枝 果 大晶 两 于骨 杆 细架能杆尚自。未由因形收而成缩，。，粗此则杆时细被铸杆拉 件的长的收，变 缩 产形 量 生由 要 拉比 应细粗 力杆杆 ；确大 细定。 杆，由 则细于 相杆两 反带，杆动粗产彼杆生此一压相起应连收力，缩。始。冷终到却具到有t1
热裂产生的温度 应在O—×之间；
O—●是硫含量 偏高的情况；
△—▲是磷含量 偏高的情况。
试验表明，铸钢热裂形成温度在固相线附近。 应当指出，在铸造条件下、合金是在非平衡条件 下结晶的，低熔点物质被排斥于晶界，使实际固 相线低于平衡固相线。试验中硫、磷含量偏高 时，影响更为明显。
在低于液相线某温度时，铸件开始线收缩。因 此可以认为，热裂形成温度是在非平衡的线收缩 开始温度到非平衡的固相线温度区间内。这一温 度区间被称为“有效结晶温度范围”。
1.合金方面 在满足工作条件的前提下，尽量选择弹性模量
和线膨胀小的材料作为铸件材料。 2.合理设计铸件结构
铸件的壁厚差要尽量小；厚薄壁连接处要圆滑 过渡；热节小而分散。
3.合理选择工艺
将铸件厚壁部位的砂层减薄，或放置冷铁，或 采用蓄热系数大的型砂；合理设置浇冒口，尽量 使铸件各部分温度均匀，避免产生较大的应力和 应力集中。
机械制造2-1 铸造工艺基础知识
10
2.1
铸造的工艺基础知识
• 2.1.1 液态合金的充型 合金流动性的定义
流动性是指液态(熔融)金属的流动能力。 它是影响液态金属充型能力的主要因素之一， 也是合金的主要铸造性能之一。
11
2.1
铸造的工艺基础知识
• 2.1.1 液态合金的充型 合金流动性的测量方法
常用浇注标准螺旋形试样的方法进行测定。 螺旋形试样的长度越长，则液态合金的流动性越好。 常用合金的螺旋形试样的长度数值见P11表2-1。
22
充型能力的影响因素
主要影响因素：铸型条件和浇注条件 2.浇注条件：
浇注条件又与浇注系统结构、浇注温度和充型压力有关。 （2）浇注温度： 浇注温度越高，合金保持液态的时 间越长，金属液粘度降低，杂质容 易上浮或溶解，故合金流动性好， 充型能力强。但浇注温度过高，液 态合金收缩增大，吸收气体多，氧 化严重，流动性反而会下降。因此 在保证流动性的前提下，浇注温度 应尽可能低一些。
25
砂型铸造的充型压力由 直浇道的静压力产生。
2.1
铸造的工艺基础知识
• 2.1.2 铸件的凝固与收缩
浇入铸型型腔的液态金属在冷凝过程中，如果其 液态收缩和凝固收缩得不到补充，铸件将产生缩孔 或缩松等铸造缺陷。因此，必须合理地控制铸件的 凝固过程。 1. 铸件的凝固方式 铸件的凝固： 液态合金转变为固态铸件的过程称为铸件的凝固。
阶段的收缩。用体收缩率表示。合金的结晶温度范围越大， 体收缩率也越大。液态收缩和凝固收缩时金属液体积缩小， 是形成缩孔和缩松的基本原因。
a)
a) 合金状态图
b)
c)
b) 一定温度范围合金 c) 共晶合金
图2-6 铸造合金收缩过程示意图
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消除残余应力
1.2.3 铸造内应力、变形及裂纹 2、铸件的变形
铸件的变形包括铸件凝固后所发生的变形以及随后的切削 加工变形。 1) 铸件变形的形式:
1.2.3 铸造内应力、变形及裂纹 2、铸件的变形
1) 铸件变形的形式:
厚大受拉易内凹； 薄处受压易外凸；
床身铸件变形
1.2.3 铸造内应力、变形及裂纹 2、铸件的变形
1.2.3 铸造内应力、变形及裂纹
2) 铸件变形的预防措施
b) 进行去应力退火 铸件机加工之前应先进 行去应力退火，以稳定铸件尺寸，降低切削 加工变形程度。
联想：
机床床身铸造 后要进行什么 处理？
1.2.3 铸造内应力、变形及裂纹
2) 铸件变形的预防措施
c) 设置工艺肋 为了防止铸件的铸态变形，可在容 易变形的部位设置工艺肋。
4）铸造内应力的预防 a）采用同时凝固的原则 同时凝固是指通过设置冷铁、 布置浇口等工艺措施，使铸件温差尽量变小，基本实现 铸件各部分在同一时间凝固，可有效降低热应力。
1.2.3 铸造内应力、变形及裂纹
4）铸造内应力的预防 b）提高铸型温度（对铸型进行预热） c）铸件壁厚设计均匀 d）改善铸型和型芯的退让性 e）进行去应力退火 预防热应力 预防机械应力
1.2.3 铸造内应力、变形及裂纹
3、铸件的裂纹
铸件的收缩，在铸件中产生了铸造内应力，当铸造内应 力增大到 大于某一时刻材料的抗拉强度时，就会出现裂纹。
裂纹是可以引发灾难性事故的、危害最大的一类缺陷。 1）铸件裂纹的形式 a)热裂纹：热裂纹是在凝固末期高温下形成的裂纹，是在
应力与致脆因素的共同作用下，使材料的原子结合遭到破
§1-2 金属液态成形的基本原理
内容回顾
1）合金的流动性 2) 合金的充型能力
逐层凝固
纯金属及共晶成分合金 灰铸铁最好，铸钢最差 流动性 浇注条件
铸型条件
3) 金属的凝固方式
糊状凝固 中间凝固
§1-2 金属液态成形的基本原理
铸造缺陷
液态收缩
缩孔、缩松
4)金属的收缩
影 响 因 素
凝固收缩 固态收缩
化学成分
1) 铸件变形的形式
思考
铸件如何变化？ a) 对铸件中心钻孔； b) 外圈加工一层，使外径减小后； c) 侧边铣削掉一层；
1.2.3 铸造内应力、变形及裂纹 2、铸件的变形
1) 铸件变形的形式
1.2.3 铸造内应力、变形及裂纹 2、铸件的变形
2) 铸件变形的预防措施
a) 采用反变形法 可在模样上做出与铸件变形量相等而方向 相反的预变形量来抵消铸件的变形，此种方法称为反变形法。
坏，在形成新界面时产生缝隙。 热裂裂纹一般沿晶界产生和发展，其外形曲折短小， 裂纹缝内表面呈氧化色；
1.2.3 铸造内应力、变形及裂纹
热裂纹的形成：
主要因素： ⑴合金性质 结晶区间越宽、
含硫量高易裂。
⑵铸型阻力 注意型砂的退 让性。
1.2.3 铸造内应力、变形及裂纹
1）铸件裂纹的形式
b)冷裂——是铸件凝固后冷却到弹性状态时，局部铸造应力
超过材料强度极限而引起的开裂。
冷裂常常出现在铸件形状复杂受拉
伸处，特别是应力集中部位。壁厚不均 匀、形状复杂的大型铸件容易产生冷裂 纹。
冷裂裂纹穿晶断裂，裂纹细小，外形呈 连续直线状或圆滑曲线状，裂纹缝内干 净，有时呈轻微氧化色。
铸件尖角部位的裂纹
1.2.3 铸造内应力、变形及裂纹
2）铸件裂纹的预防措施 a) 改善铸型的退让性；
“＋”为拉应力； “－”为压应力。
热应力的形成
1.2.3 铸造内应力、变形及裂纹
2）铸造热应力的形成 铸件厚壁或 心部受拉伸； 薄壁或表层 受压缩。
热应力的形成
1.2.3 铸造内应力、变形及裂纹
2）铸造热应力的形成
应 力 分 布 举 例
1.2.3 铸造内应力、变形及裂纹
3）机械应力的形成
1.2.3 铸造内应力、变形及裂纹
浇注温度 铸件结构 本节内容
铸造内应力、变形和裂纹
铸型条件
§1-2 金属液态成形的基本原理
1.2.3 铸造内应力、变形及裂纹
1、铸造内应力
铸造内应力——铸件固态收缩受到阻碍产生的内部应力。
铸件 冷却
受约束
完全冷却后 瞬时应力与 残余应力 应变 与变形
1）铸造内应力的种类
2）铸造内应力的形成原理 3）铸造内应力的预防
1.2.3 铸造内应力、变形及裂纹
1、铸造内应力
1）铸造内应力的种类
受阻
热应力（自身约束）
热收缩 铸件温 度变化 固态相变
（伴随比容变化）
机械应力（外部约束）
受阻
相变应力
1.2.3 铸造内应力、变形及裂纹
1、铸造内应力
1）铸造内应力的种类
a）热应力 铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于不均
衡的收缩而引起的应力。
b）机械应力 铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇 冒口等外力的阻碍而产生的应力。 c）固态相变应力 铸件由于冷却时发生的固态相变，各部 分体积发生不均衡变化而引起的应力(如 A—P转变时体积
会增大)。
1.2.3 铸造内应力、变形及裂纹
2）铸造热应力的形成 分布规律： 铸件厚壁或 心部受拉伸； 薄壁或表层 受压缩。
b)金属在熔炼过程中，应严格控制有可能扩大金属 凝固温度范围元素的加入量及钢铁中的硫、磷含量。 c) 减小铸造应力；
d) 设计结构时避免应力集中；
1.2.3 铸造内应力、变形及裂纹
本节内容回顾：
重点：铸造内应力的分布、形成及预防，变形和 裂纹的预防； 难点：铸造热应力的形成及分布规律，铸件的变 形规律——需理解 ！