材料成形工艺原理第十三章 铸造应力.

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。
二、金属凝固和冷却过程中产生的应力
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：
假设条件： 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。
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。
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
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。
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
E/(107N.m-2)
19600
比杆Ⅱ快，即杆 I 的自
由线收缩速度大于杆Ⅱ。
从 τ3 到 τ4 两杆自由线收 缩的差值为：
(9-3)
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 τ4 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。
应该指出，合金在 高温时，特别是在固相
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．
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，因此在 其它条件相同时，合金钢具有较大的残余应力。
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
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：
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。
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。
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
铸件结果设计要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。
五、消除残余应力的方法
铸件中的残余应力可以通过以下一些方法消除。 1、人工时效(artificial ageing) 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
材料成形工艺原理
材料成形系
高文理
第十三章 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。
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。
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。
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，圆柱形铸件内部存 在残余拉应力，外层存在残 余压应力。
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。 这样，在杆Ⅱ内产生拉应力，在杆I
内则产生压应力。到 η ２ 时，应力达
到极大值，该阶段为应力增长阶段。
第三阶段(τ2～τ3)：
两杆的温差逐渐减
小，到 η3 时，温差又减
小到Δt H。 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。
共振时效
激振器主要由振动台和控制箱组成。工作时，把 振动器牢固地夹在工件的中部或一端 ( 小件则装在 振动台上)。 其主要工艺参数是，共振频率、动应力和激振 时间。
(1) 共振频率的确定。调整振动器的频率，振动
器频率与工件固有频率一致时，振幅达到最大值，
此时的频率就是共振频率。
(2) 动应力接近35Pa时能获得最大效益。 (3) 激振时间应依据铸件的原始条件和处理过程
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。
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wenku.baidu.com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。
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，要根据具体情况
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。
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。
环形试样：
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内按不同规范
退火。
环形试样： 退火后去掉楔铁，根据缺口大小，可知应力减小 程度。楔铁能自由地从缺口中取出的规范为最佳热 处理规范。
4) 铸件收缩不受铸型阻碍。
5) 横梁Ⅲ是刚性体。
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。
三、影响铸造应力的因素
铸件在凝固和冷却过程中，所受的应力为热 应力、相变应力和机械阻碍应力的代数和。此 应力值大于金属在该温度下的强度，铸件就会 产生裂纹。 机械阻碍应力一般在铸件落砂后即消失，是
临时应力。残留应力往往是热应力和相变应力。
残留应力与下列因素有关：
1、金属性质方面
(1) 金属的弹性模量越大，铸件中的残余应力就
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
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。
从η2到η3，两杆自由线收缩量的差 值为：
从式中可以看出，从η1到η3， 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 到达 η3 时，两杆中的应力值均为 零。这样，在第三阶段，两杆中
的应力逐渐减小，到 τ3 时，铸件
处于完全卸载状态。
第四阶段(τ3～τ4)：
杆 I 的冷却速度仍然