铸造应力

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一、铸造应力的定义、分类和危害 

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    1、定义： 

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    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。 

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    2、分类： 

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    A. 按应力形成的原因分：

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    （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。

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    （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。 

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    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。

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    （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： 

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    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。

图9-1  壁厚不同的应力框铸件瞬时应力发展过程示意图
a）应力框铸件      b）两杆温度变化曲线
c）两杆温差变化曲线      d）两杆应力变化曲线     

    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。 

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    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。 

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    4) 铸件收缩不受铸型阻碍。 

    5)  横梁Ⅲ是刚性体。   

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    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。 

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    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。 

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    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。  

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    第一阶段(τ0～τ1)：tⅡty。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τ1时，两杆具有同一长度，温差为ΔtH，铸件不产生应力。 

    第二阶段(τ１～τ２)：tⅡ

　     (9-1) 

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    式中    
        α——线收缩系数，
        L——杆长。     

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    即杆Ⅱ要比杆I多收缩α（Δtmax - ΔtH）L。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τ２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τ2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。从τ2到τ3，两杆自由线收缩量的差值为：  

　    (9-2) 

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    从式(9—2)可以看出，从τ1到τ3，两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τ3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：

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　    (9-3) 

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    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。 

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    应该指出，合金在高温时，特别是在固相线以上，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。 

    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，内部存在残余拉应力，外层存在残余压应力。

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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。 

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    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： 

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    1、金属性质方面     

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    (1) 金属的弹性模量越大，铸件中的残余应力就越大。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)。 

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    (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。 

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    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。 

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图9-2  集中铸造合金0—600^oC的线膨胀
1-ZG1Cr18Ni9Ti    2-ZG15CrMo    3-ZG25Cr    4-Cr30    5-灰铸铁    6-Cr15

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    2、铸型性质方面 

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    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。 

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   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： 

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    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。 

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    2、铸型方面  

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    为了使铸件在冷却过程中温度分布均匀，可在铸件厚实部分放置冷铁，或采用蓄热系数大的型砂，也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。也可在铸件冷却过程中，将铸件厚壁部位的砂层减薄。 

    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℃。 

    为了提高铸型和型芯的退让性，应减小砂型的紧实度，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。 

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    采用细面砂和涂料，可以减小铸型表面的摩擦力。 

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    3、浇注条件   

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    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。 

    铸件在铸型内要有足够的冷却时间，尤其是采用水爆清砂时，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 

    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。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。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。 

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图9-3  环形试样

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    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。 

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    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)   

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    共振时效的原理是：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。 

    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。 

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    (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中的实际条件而定。重量大的铸件处理时间要长一些。 

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    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50 t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．