鑄件變形和裂紋

1、鑄件變形和裂紋鑄鋼件生產技術課程應力的形成 溫度變化熱膨脹熱膨脹或收縮或收縮熱應力熱應力（自身拘束）（自身拘束）機械阻機械阻礙應力礙應力（外部拘束）（外部拘束） 固態(tài)相變固態(tài)相變（伴隨比容變化）（伴隨比容變化）受阻受阻受阻受阻相變應力相變應力加熱與冷卻受拘束瞬時應力瞬時應力與應變與應變完全冷卻后殘余應力殘余應力與變形與變形在應力與致脆因素的共同作用下，使材料的原子結合遭到破壞，在形成新界面時產生的縫隙稱為裂紋。金屬在加工和使用過程中，可能會出現(xiàn)各種裂紋，如熱裂紋、冷裂紋等。裂紋是可以引發(fā)災難性事故的、危害最大的一類缺陷。熱裂紋的形成機理 液態(tài)金屬凝固結晶液固狀態(tài)液固狀態(tài)固液狀態(tài)固液狀態(tài)偏析偏析

2、低熔點共晶低熔點共晶液態(tài)薄膜液態(tài)薄膜脆性溫脆性溫度區(qū)間度區(qū)間凝固收縮凝固收縮應力與應變應力與應變拘束拘束凝固凝固裂紋裂紋圖圖11-47 金屬凝固過程中的脆性溫度區(qū)金屬凝固過程中的脆性溫度區(qū)TL液相線液相線 TS固相線固相線 TB脆性溫度區(qū)脆性溫度區(qū)塑塑性性TBTS TLTHTSab溫度溫度T固相固相固液固液液固液固液相液相凝固溫度區(qū)間的影響 凝固溫度區(qū)增大 脆性溫度區(qū)范圍增大 凝固裂紋的傾向增大 wB /%wB /%裂裂紋紋傾傾向向/%溫溫度度/合金元素和雜質元素的影響合金元素和雜質元素的影響 合金元素尤其是易形成低熔點共晶的雜質元素是影響熱裂紋產生的重要因素。 硫和磷 是鋼中最有害的雜質元素

3、，在各種鋼中都會增加熱裂紋傾向。它們既能增大凝固溫度區(qū)間，與其他元素形成多種低熔點共晶，又是鋼中極易偏析的元素。 Ni、C 與 Mn 的影響碳在鋼中是影響熱裂紋的主要元素，并能加劇硫磷及其他元素的有害作用。碳能明顯增加結晶溫度區(qū)間，并且隨著碳含量的增加，初生相可由相轉為相。由于硫和磷在相中的溶解度比在相中低很多，如果初生相為相，則析出的硫和磷就會富集于晶界，從而增加凝固裂紋傾向。圖圖11-54 Fe-C 相圖的高溫部分相圖的高溫部分溫溫度度T/wC/%錳具有脫硫作用，同時也能改錳具有脫硫作用，同時也能改善硫化物的形態(tài)，使薄膜狀改善硫化物的形態(tài)，使薄膜狀改變?yōu)榍驙?，提高金屬的抗裂性。變?yōu)榍驙睿?/p>

4、高金屬的抗裂性。鋼中碳含量增加時，鋼中碳含量增加時，Mn的加的加入量也要相應增加。當入量也要相應增加。當wC0.16時，時，wMn/wS25即可防即可防止熱裂紋的產生。但是當止熱裂紋的產生。但是當 wC0.16（包晶點）時，磷的（包晶點）時，磷的有害作用將超過硫，此時再增有害作用將超過硫，此時再增加加wMn/wS比值對防止熱裂紋已比值對防止熱裂紋已無意義。無意義。凝固組織形態(tài)的影響 晶粒的大小形態(tài)和方向及析出的初生相對抗裂性都有很大影響。晶粒越粗大，方向性越明顯，產生熱裂紋的傾向就越大。 金屬中加入某些合金元素（如Ti、Mo、V、Nb等）使晶粒細化，既可破壞液態(tài)薄膜的連續(xù)性，又可打亂枝晶的方向

5、性，從而提高金屬的抗裂性。工藝因素對熱裂紋的影響鑄造工藝參鑄造工藝參數(shù)數(shù)溫度場分溫度場分布及變化布及變化凝固組織形態(tài)凝固組織形態(tài)與偏析程度與偏析程度結構形式與結構形式與拘束程度拘束程度結晶應力結晶應力與應變與應變凝固凝固裂紋裂紋防止熱裂紋的措施 冶金因素的影響在鑄造工藝過程中比較容易實冶金因素的影響在鑄造工藝過程中比較容易實現(xiàn)控制，合適的工藝參數(shù)選擇也用來限制熱裂紋。現(xiàn)控制，合適的工藝參數(shù)選擇也用來限制熱裂紋。冷裂紋是鑄件成形后冷卻到較低溫度時產生的裂紋。這類裂紋是中碳鋼、高碳鋼、低合金高強鋼等材料成形加工時或使用過程中極易出現(xiàn)的一類工藝缺陷，對結構的安全使用破壞極大。冷裂紋 鑄造冷裂紋是鑄件

6、凝固后冷卻到彈性狀態(tài)時，因局部鑄造應力大于材料強度極限而引起的開裂。這類裂紋總是發(fā)生在冷卻過程中承受較高拉應力的部位，特別是應力集中部位。壁厚不均勻、形狀復雜的大型鑄件容易產生冷裂紋。 齒輪毛坯中的鑄造冷裂紋齒輪毛坯中的鑄造冷裂紋鑄件尖角部位的裂紋鑄件尖角部位的裂紋框形鑄件中的動態(tài)應力分析框形鑄件中的動態(tài)應力分析 在高于彈性轉變溫度的階段，兩桿均處于塑性在高于彈性轉變溫度的階段，兩桿均處于塑性狀態(tài)，兩桿冷卻速度雖然不同，收縮也不一致，狀態(tài)，兩桿冷卻速度雖然不同，收縮也不一致，但該過程中的應力均可通過塑性變形釋放。但該過程中的應力均可通過塑性變形釋放。 繼續(xù)冷卻，冷卻較快的細桿桿已進入彈性狀態(tài)，

7、繼續(xù)冷卻，冷卻較快的細桿桿已進入彈性狀態(tài)，而粗桿仍處于塑性狀態(tài)。由于細桿受拉伸，粗桿受而粗桿仍處于塑性狀態(tài)。由于細桿受拉伸，粗桿受壓縮，形成臨時內應力，該應力隨之會由于粗桿的壓縮，形成臨時內應力，該應力隨之會由于粗桿的微量塑性變形而消失。微量塑性變形而消失。 冷卻到更低溫度，已被壓短的粗桿也處于彈性狀態(tài)，此冷卻到更低溫度，已被壓短的粗桿也處于彈性狀態(tài)，此時，盡管兩桿長度相同，但所處的溫度不同。粗桿的溫度時，盡管兩桿長度相同，但所處的溫度不同。粗桿的溫度較高，還會進行較大的收縮；細桿的溫度較低，收縮較小，較高，還會進行較大的收縮；細桿的溫度較低，收縮較小，粗桿的收縮受到細桿的阻礙，故細桿受壓縮，

8、粗桿受拉伸，粗桿的收縮受到細桿的阻礙，故細桿受壓縮，粗桿受拉伸，至室至室 溫形成殘余應力。溫形成殘余應力。 分析下列鑄件內的縱向殘余應力：厚壁筋板內拉伸應力薄壁筋板內壓縮應力中心近軸線部位受拉中心近軸線部位受拉外部近圓周部位受壓外部近圓周部位受壓減小應力方法減小應力方法- -合理設計結構合理設計結構 1.在鑄造結構中，鑄件的壁厚差要盡量小； 2.厚薄壁連接處要圓滑過渡； 3.鑄件厚壁部分的砂層要減薄，或放置冷鐵； 4.合理設置澆冒口，盡量使鑄件各部分溫度均勻。 反變形反變形-帶輪鑄件輪緣的變形和加厚示意圖帶輪鑄件輪緣的變形和加厚示意圖a)b)減小應力方法減小應力方法-合理選擇工藝合理選擇工藝澆注鑄件時，應選擇彈性模量和收縮系數(shù)小的材料；澆注鑄件時，應選擇彈性模量和收縮系數(shù)小的材料；提高鑄型的預熱溫度可減小鑄件各部分的溫差；采提高鑄型的預熱溫度可減小鑄件各部分的溫差；采用較細的面砂和涂料，減小鑄件表面的摩擦力；控用較細的面砂和涂料，減小鑄件表面的摩擦力；控制鑄型和型芯的緊實度，加木屑、焦炭等提高鑄型制鑄型和型芯的緊實度，加木屑、