第十一章 鑄造應(yīng)力、變形及冷裂紋

第十一章鑄造應(yīng)力、變形及冷裂一、基本概念鑄造應(yīng)力：液態(tài)金屬在型腔凝固和以后冷卻過程中，發(fā)生線收縮或相變引起體積的變化，當(dāng)變化受到其它條件的制約不能自由進(jìn)行時(shí)，在產(chǎn)生變形時(shí)還會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為鑄造應(yīng)力。應(yīng)力分類產(chǎn)生原因存在時(shí)間應(yīng)力狀態(tài)熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和機(jī)械阻礙應(yīng)力臨時(shí)應(yīng)力與殘留應(yīng)力拉應(yīng)力和壓應(yīng)力熱應(yīng)力：鑄件各部位冷卻速度不同，導(dǎo)致同一時(shí)刻收縮量不一致，鑄件各部分彼此互相制約，從而產(chǎn)生的應(yīng)力。相變應(yīng)力：固態(tài)發(fā)生相變的合金，鑄件各部分冷卻條件不同，到達(dá)相變溫度的時(shí)刻不同，且相變程度不同，由此產(chǎn)生的應(yīng)力。機(jī)械阻礙應(yīng)力：鑄件的收縮受到砂型、型芯、澆冒口系統(tǒng)等機(jī)械阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力。11－2鑄件在冷卻過程中的應(yīng)力一、無固態(tài)相變的合金鑄件瞬時(shí)應(yīng)力的發(fā)展過程假設(shè)條件：1.從同一溫度冷卻到室溫2.收縮系數(shù)和彈性模量不變3.不產(chǎn)生擾曲變形4.鑄件無機(jī)械阻礙5.橫梁剛性熱應(yīng)力發(fā)展的四個(gè)階段：桿Ⅱ開始線收縮，而桿Ⅰ仍處于凝固初期，枝晶尚未成形。桿Ⅱ帶動(dòng)桿Ⅰ收縮，具有同一長度，無應(yīng)力，在時(shí)，溫差為△tH桿Ⅰ溫度下降到線收縮溫度下，開始線收縮。隨著冷卻，兩桿溫差越大，到τ２，溫差最大。桿Ⅱ比桿Ⅰ多收縮為：但兩桿彼此相連，具有相同長度，故桿Ⅱ被拉長，桿Ⅰ被壓縮。桿Ⅱ內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，桿Ⅰ內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力。兩桿溫差逐漸減小。在此階段桿Ⅰ的冷卻速度大于桿Ⅱ。兩桿自由線收縮量的差值為：在這個(gè)階段最后時(shí)刻，兩桿中的應(yīng)力逐漸減小到零。桿Ⅰ的冷卻速度仍然比桿Ⅱ快。兩桿自由線收縮的差值為：在此階段，桿Ⅰ受拉，桿Ⅱ反之。則鑄件殘余應(yīng)力：桿Ⅱ?yàn)閴簯?yīng)力，桿Ⅰ為拉應(yīng)力。引申：其它形狀鑄件：圓柱、空心體二、有固態(tài)相變鑄件熱應(yīng)力形成過程不考慮機(jī)械阻礙，瞬時(shí)應(yīng)力的變化與冷卻特點(diǎn)和相變過程有關(guān)粗桿處于共晶轉(zhuǎn)變，細(xì)桿凝固完畢，兩桿溫差逐漸增大。粗桿析出一定量固相連成骨架后，石墨析出的膨脹力作用在骨架，發(fā)生膨脹，粗桿的膨脹受到細(xì)桿的阻礙，產(chǎn)生壓應(yīng)力，細(xì)桿則產(chǎn)生拉應(yīng)力。隨著時(shí)間的延續(xù)，兩桿的應(yīng)力值不斷增加，粗桿共晶轉(zhuǎn)變剛剛結(jié)束時(shí)，兩桿溫差和收縮量差達(dá)到極大值，在粗桿的應(yīng)力曲線上出現(xiàn)第一壓力谷，即a點(diǎn)。兩桿溫差逐漸減小，即粗桿的冷卻速度比細(xì)桿快，粗桿的自由線收縮速度大于細(xì)桿。細(xì)桿進(jìn)入共析轉(zhuǎn)變后，析出石墨，體積膨脹，兩桿自由線收縮速度差進(jìn)一步加大，粗桿的壓應(yīng)力逐漸減小，并向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變。粗桿進(jìn)入共析轉(zhuǎn)變，粗桿受拉應(yīng)力最大（b），溫差最小。粗桿進(jìn)入共析轉(zhuǎn)變后，細(xì)桿已共析轉(zhuǎn)變完畢，兩桿溫差再次加大，與此同時(shí)，粗桿還發(fā)生共析膨脹，粗桿的拉應(yīng)力逐漸減小，并向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變。兩桿的溫差再度減小，即粗桿冷卻速度快，粗桿的收縮速度快于細(xì)桿，粗桿的壓應(yīng)力再次減小，并向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變。到室溫，粗桿內(nèi)殘存著拉應(yīng)力，細(xì)桿內(nèi)殘存著壓應(yīng)力。引申：當(dāng)合金凝固和以后冷卻過程中發(fā)生相變，兩相比容差很大，能產(chǎn)生相變應(yīng)力，和熱應(yīng)力疊加，構(gòu)成瞬時(shí)應(yīng)力。三、機(jī)械阻礙應(yīng)力1.產(chǎn)生機(jī)械阻礙的原因1）鑄型、型芯強(qiáng)度高，退讓性差2）砂箱的箱檔和型芯的芯骨3）澆冒口系統(tǒng)以及鑄件上的突起4）設(shè)置在鑄件上的拉筋、防裂筋，分型面上的飛邊2.性質(zhì)1）臨時(shí)應(yīng)力2）拉應(yīng)力結(jié)論：鑄件的瞬時(shí)應(yīng)力是熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和機(jī)械阻礙應(yīng)力的代數(shù)和。瞬時(shí)應(yīng)力值大于金屬在該溫度下的強(qiáng)度，鑄件會(huì)產(chǎn)生裂紋。存在應(yīng)力的鑄件，在受到撞擊或熱處理加熱過快，有時(shí)鑄件開裂。四、影響殘余應(yīng)力的因素1.殘余應(yīng)力的計(jì)算(參考圖11－3)2.影響因素1）合金性質(zhì)彈性模量越大，殘余應(yīng)力越大線收縮系數(shù)越大，殘余應(yīng)力越大導(dǎo)熱系數(shù)越大，殘余應(yīng)力越小2）鑄型性質(zhì)蓄熱系數(shù)越大，殘余應(yīng)力越大退讓性好，殘余應(yīng)力小3）澆注條件澆注溫度越高，殘余應(yīng)力越小同時(shí)凝固，減小殘余應(yīng)力4）鑄件結(jié)構(gòu)壁厚差越大，殘余應(yīng)力越大直角邊壁越多，殘余應(yīng)力越大減小和消除鑄造應(yīng)力的措施：減小措施參考影響因素消除措施人工時(shí)效自然時(shí)效共振時(shí)效一般規(guī)律是將鑄件加熱到彈塑性狀態(tài)，在此溫度下保溫一定時(shí)間，使應(yīng)力消失，再緩慢冷卻到室溫。將具有殘余應(yīng)力的鑄件放置在露天場(chǎng)地，經(jīng)數(shù)月至半年以上，應(yīng)力慢慢自然消失，稱此消除應(yīng)力方法為自然時(shí)效。調(diào)整振動(dòng)頻率，使鑄件在具有共振頻率的激振力作用下，獲得相當(dāng)大的振動(dòng)能量。在共振過程中，交變應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加，鑄件局部屈服，產(chǎn)生塑性變形，使鑄件中的殘余應(yīng)力逐步松弛、消失。同時(shí)也使處在畸變晶格上的原子獲得較大能量，使晶格畸變恢復(fù)，應(yīng)力消失。10－3鑄件的變形和冷裂一、變形1.變形的概念2.變形趨勢(shì)殘余壓應(yīng)力自發(fā)生長殘余拉應(yīng)力自發(fā)縮短3.危害加工余量不足影響鑄件精度鑄件冷卻過程中，冷卻速度不同導(dǎo)致收縮量不一致，且各部分彼此相連相互制約而產(chǎn)生的形變。二、冷裂1.基本概念冷裂：由于鑄件中的拉應(yīng)力超出合金的強(qiáng)度極限而產(chǎn)生的裂紋。2.基本特征1）外形連續(xù)直線形或圓滑曲線2）