HEATS 发表于 2010-9-12 18:24:53

铸造应力

<STRONG>一、铸造应力的定义、分类和危害</STRONG>&nbsp;
<P></P>
<P><STRONG>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 1、定义:</STRONG>&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 铸造应力(casting&nbsp;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。&nbsp;</P>
<P><STRONG>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 2、分类:</STRONG>&nbsp;</P>
<P><STRONG>&nbsp;&nbsp;&nbsp; A.&nbsp;按应力形成的原因分:</STRONG> </P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp; (1)&nbsp;热应力(thermal&nbsp;stress):铸件各部分厚薄不同,&nbsp;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。 </P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp; (2)&nbsp;相变应力(phase&nbsp;transformation&nbsp;stress):&nbsp;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。 </P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp; (3)&nbsp;机械阻碍应力(mechanism&nbsp;hindered&nbsp;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。&nbsp;</P>
<P><STRONG>&nbsp;&nbsp;&nbsp; B.&nbsp;按应力存在的时间分:</STRONG> </P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp; (1)临时应力(temporary&nbsp;stress):产生应力的原因消失,应力便消失。 </P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp; (2)残余应力(residual&nbsp;stress):产生应力的原因消除后,仍然存在的应力。&nbsp;</P>
<P><STRONG>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 3、应力的危害:</STRONG>&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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。 </P>
<P><STRONG>二、金属凝固和冷却过程中产生的应力</STRONG>&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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。</P>
<P align=center><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_cbmto22005122910202912.gif" border=0><BR>图9-1&nbsp; 壁厚不同的应力框铸件瞬时应力发展过程示意图<BR>a)应力框铸件&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; b)两杆温度变化曲线<BR>c)两杆温差变化曲线&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp;d)两杆应力变化曲线&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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:&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1)&nbsp;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。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;2)&nbsp;&nbsp;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。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;3)&nbsp;&nbsp;铸件不产生挠曲变形。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;4)&nbsp;铸件收缩不受铸型阻碍。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;5)&nbsp;&nbsp;横梁Ⅲ是刚性体。&nbsp;&nbsp;&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。&nbsp;&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;第一阶段(τ0~τ1):tⅡ<TY&NBSP;,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τ1时,两杆具有同一长度,温差为ΔtH,铸件不产生应力。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;第二阶段(τ1~τ2):tⅡ<TY&NBSP;,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: P <>
<P align=center> <IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_k4wzw32005122910202386.gif" border=0>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; (9-1)&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;式中&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; <BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;α——线收缩系数, <BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;L——杆长。&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;即杆Ⅱ要比杆I多收缩α(Δtmax&nbsp;-&nbsp;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。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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&nbsp;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:&nbsp;&nbsp; </P>
<P align=center> <IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_li1uhp2005122910202524.gif" border=0>&nbsp;&nbsp;&nbsp; (9-2)&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;第四阶段(τ3~τ4):杆I的冷却速度仍然比杆Ⅱ快,即杆I&nbsp;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: </P>
<P align=center> <IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_zjfqkm2005122910202821.gif" border=0>&nbsp;&nbsp;&nbsp; (9-3)&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;在此阶段,杆I&nbsp;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&nbsp;内为拉应力。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。 </P>
<P><STRONG>三、影响铸造应力的因素</STRONG>&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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:&nbsp;</P>
<P><STRONG>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1、金属性质方面</STRONG>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;(1)&nbsp;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)。&nbsp; </P>
<P align=center><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_2xsprv2005122910203168.gif" border=0></P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp; (2)&nbsp;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%。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;(3)&nbsp;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。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;相变对残余应力的影响表现在以下两个方面:&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;a)&nbsp;相变引起比容的变化, <BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;b)&nbsp;相变热效应改变铸件各部分的温度分布。&nbsp;</P>
<P align=center><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_iwpsw92005122910203400.gif" border=0><BR>图9-2&nbsp; 集中铸造合金0—600<SUP>o</SUP>C的线膨胀<BR>1-ZG1Cr18Ni9Ti&nbsp;&nbsp;&nbsp; 2-ZG15CrMo&nbsp;&nbsp;&nbsp; 3-ZG25Cr&nbsp;&nbsp;&nbsp; 4-Cr30&nbsp;&nbsp;&nbsp; 5-灰铸铁&nbsp;&nbsp;&nbsp; 6-Cr15</P>
<P><STRONG>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;2、铸型性质方面</STRONG>&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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。&nbsp;&nbsp;</P>
<P><STRONG>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;3、浇注条件</STRONG>&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。&nbsp;</P>
<P><STRONG>&nbsp;&nbsp;&nbsp;4、铸件结构</STRONG>&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。 </P>
<P><STRONG>四、减小应力的途径</STRONG>&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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:&nbsp;</P>
<P><STRONG>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1、合金方面</STRONG>&nbsp;&nbsp;&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。&nbsp;</P>
<P><STRONG>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;2、铸型方面</STRONG>&nbsp;&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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℃。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;采用细面砂和涂料,可以减小铸型表面的摩擦力。&nbsp;</P>
<P><STRONG>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;3、浇注条件</STRONG>&nbsp;&nbsp;&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。&nbsp;</P>
<P><STRONG>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;4、改进铸件结构</STRONG>&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。 </P>
<P><STRONG>五、消除残余应力的方法</STRONG>&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;铸件中的残余应力可以通过以下一些方法消除。&nbsp;</P>
<P><STRONG>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1、人工时效(artificial&nbsp;ageing)</STRONG>&nbsp;&nbsp;&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。&nbsp;</P>
<P align=center><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_qyd0ic2005122910203133.gif" border=0><BR>图9-3&nbsp; 环形试样</P>
<P><STRONG>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;2、自然时效(natural&nbsp;ageing)</STRONG>&nbsp;&nbsp;&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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。&nbsp; <BR>  <BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;3、共振时效(resonance&nbsp;ageing)&nbsp;&nbsp;&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;(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。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;(2) 动应力接近35Pa时能获得最大效益。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;(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。&nbsp;</P>
<P>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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&nbsp;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.</P>
               
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