金属液态成型

10.4铸造应力Stress in Castings

金属液态成型

铸造应力金属在凝固和冷却过程中,由于收缩、热作用和相变等因素发生体积变化，当受到外界或其本身制约，变形受阻后所产生的应力热应力：铸件各部分厚薄不同，由于冷速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，产生应力相变应力：固态相变合金，由于铸件各部分冷却条件不同，达到相变温度的时刻不同且相变程度也不同而产生的应力机械阻碍应力。铸件收缩受到铸型、型芯和芯骨等机械阻碍所产生的应力

形成原因铸造应力

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铸造应力存在时间铸造应力临时应力。形成原因消失，应力随之消失常见为机械阻碍应力残余应力。形成原因消失，应力仍然存在常见为热应力

残余应力对铸件质量有影响，其存在将引起铸件尺寸和形状的变化，影响精度，产生冷裂。此外，当残余应力与机件工作应力同方向时，应力叠加会导致超出合金的强度极限而发生提前断裂。

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热应力热应力形成过程应力框由粗杆I、细杆Ⅱ和横梁组成假设： (1)金属充满铸型后即停止流动 (2)杆I,Ⅱ原始长度皆为L0,并都从同一温度TL开始冷却到室温T0 (3)线收缩开始温度TY,收缩系数不随温度变化 (4)冷却过程中不发生固态相变，铸件收缩不受铸型阻碍 (5)横梁为刚体，不产生挠曲变形

应力框铸件

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热应力两杆冷却曲线

杆I较厚，冷却前期冷却速度比杆II小，但因两杆温度最终相同，所以冷却后期杆I的冷却速度比杆II大

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热应力两杆温差变化曲线

先增加，后降低

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热应力t0-t1,细杆Ⅱ开始线收缩，而粗杆Ⅰ仍处凝固初期，枝晶骨架尚未形成，没有强度。此时铸件变形由细杆Ⅱ确定，细杆Ⅱ带动粗杆Ⅰ一起收缩 t1时两杆具有同一长度，铸件内不产生热应力

细杆Ⅱ自由收缩

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热应力t1-t2,两杆均发生线收缩，且随时间推移，温差逐渐增大如果两杆能自由收缩，则杆Ⅱ收缩量比杆Ⅰ大。由于彼此相连，故杆Ⅱ被拉长，杆Ⅰ被压缩。这样杆Ⅱ内产生拉应力，而杆I内产生压应力

t2时刻，两杆温差最大,应力达到极大值细杆I,Ⅱ协调收缩

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热应力t2~t3,杆Ⅰ冷却速度大于杆Ⅱ,两杆温差逐渐减小，杆I线收缩速度大于杆Ⅱ。因为假定只产生弹性变形，所以到达t3时，两杆中应力值均为零

弹性变形

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热应力t3~t4,杆I冷却速度仍比杆II快，即杆I自由线收缩速度大于杆II。因而杆I产生拉应力；杆II产生压应力冷却到t4(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

塑性变形，残余应力

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热应力

热应力使铸件厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。铸件壁厚差别

愈大，合金线收缩率愈高，热应力也愈大

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机械阻碍应力铸件在固态收缩时，因受到诸如铸型、型芯或芯骨等机械阻碍而产生应力机械阻碍来源主要有：强度较高、退让性较低的铸型和型芯，设置在铸件上的防裂筋，浇冒口系统和铸件上的某些突出部分等

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相变应力铸件冷却过程中往往产生固态相变，相变产物具有不同比容，其体积要变化。若铸件各部分温度不一致，发生相变时刻不同，内部就可能产生应力。这种应力称为相变应力根据相变发生温度不同，可以是临时应力或残余应力铸造应力是热应力、相变应力和机械阻碍应力总和σ铸=σ总=σ热+σ相变+σ机

应力总和大于金属强度极限时，铸件就要产生裂纹

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影响应力因素金属性质 (1)金属弹性模量越大，铸件中残余应力就越大 (2)铸件残余应力与合金自由线收缩系数成正比 (3)导热系数影响铸件厚薄两部分温差值。合金钢导热性能比碳钢低，其它条件相同时，合金钢残余应力大 (4)发生固态相变的合金，其相变对残余应力影响表现在两方面：相变引起比容变化，相变热效应改变铸件各部分温度分布

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铸型性质方面铸型蓄热系数越大，铸件冷却速度越大，铸件内外温差就越大，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浇注条件提高浇注温度，相当于提高铸型温度，延缓了铸件冷却速度，使铸件各部分温度趋于均匀，可以减小残余应力铸件结构铸件壁厚差越大，冷却时温差就越大，热应力越大

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减小应力途径针对铸件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温差，提高铸型和型芯的退让性，减小机械阻碍 (1)铸造合金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壁厚差尽量小；厚薄壁连接处圆滑过渡；合理设置浇冒口，尽量使铸件各部分温度均匀，避免产生较大应力和应力集中

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减小应力途径 (3)合理选择铸造工艺采用蓄热系数大的型砂，或将铸件厚壁部位的砂层减薄，或放置冷铁；或在浇注前预热铸型；控制铸型和型芯的紧实度，加入适量的木屑、焦炭等，以提高铸型和型芯退让性；采用较细的面砂和涂料，减小铸型表面摩擦力；适当提高浇注温度，减小铸件内部温度梯度，使铸件各部分温度趋于均匀，减小热应力

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消除铸造应力措施自然时效：将具有残余应力铸件放置在露天场地，降低晶格畸变，应力自然消失铸件中存在残余应力，晶格发生畸变，畸变晶格上原子势能较高，不稳定。长期经受不断变化温度作用，原子有足够时间和条件发生能量交换，原子能量

趋于均衡，晶格畸变得以恢复，应力消除费用低，但时间长，效率低

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消除铸造应力措施人工时效去除残余应力的热处理温度和保温时间应根据合金性质、铸件结构以及冷却条件不同而作不同规定一般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铸件升温和冷却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，因此铸件升温/冷却速度不宜过快为提高生产效率，又不应过小，保温时间不易过长

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消除铸造应力措施共振时效调整振动频率，使铸件在具有共振频率激振力作用下，获得相当大振动能量。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，使铸件中残余应力逐步松弛、消失。同时也使处在畸变晶格上原子获得较大能量，使晶格畸变恢复，应力消失

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铸件的变形铸件变形如果铸件冷却过程中形成铸造应力较大，或者冷却至室温时有残余应力，铸件就有发生塑性变形趋势，从而减小或消除应力，趋于稳定状态铸件中铸造应力的状态及其分布规律取决于铸件的结构及温度分布情况。而铸件发生的变形是各种应力综合作用的结果。挠曲是铸件中最常见的变形