材料成形原理-第十三十四章铸造应力、变形及热裂课件.ppt

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1、材料加工工程林晓娉（教授）第11章铸造应力、变形及冷裂7/28/2021铸造应力、变形及冷裂铸造应力和铸件的变形对铸件质量的影响很大。铸造应力是铸件生产、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。因此对铸造应力的产生及释放过程进行研究，有助于我们对铸造相关知识的认识，同时能够在一定程度上探索提高铸件质量，缓解（防止）铸造应力所致缺陷的产生。本章将主要讲解以下内容：§11.1铸件在冷裂过程中产生的应力§11.2铸件的变形§11.3铸件的冷裂基础知识铸造应力(castingstress)：金属在凝固和冷却过程中体积变化受到

2、外界或其本身的制约，变形受阻，而产生的应力。A.按应力形成的原因分：a.热应力(thermalstress)：铸件厚薄不同，在凝固、冷却过程中，冷速不同，造成各部分收缩量不一致，铸件各部分彼此制约，产生的应力。b.相变应力(phasetransformationstress)：合金发生固态相变，由于各部冷却条件不同，达到相变点的时刻不同，且相变的程度也不同而产生的应力。c.机械阻碍应力(mechanismhinderedstress)：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。（临时）B.按应力存在的时间分：a.临时应力(tempo

3、rarystress)：产生应力原因消失，应力便消失。b.残余应力(residualstress)：产生应力原因消除后，仍然存在的应力。§11.1铸件在冷却过程中产生的应力早在1867年俄国学者卡拉库特斯基就研究了铸钢锭内产生的应力。1907年德国学者Heyn对参与应力的产生进行了系统的分析。我们站在前人研究的基础上对他们的理论进行修正。下面从以下几个方面进行讲解：§11.1.1固态无相变的合金瞬时应力的发展过程§11.1.2固态有相变的合金瞬时应力的发展过程§11.1.3铸件在冷却过程产生的机械阻碍应力§11.1.4影响残余应力因素§11.1.5

4、减小或消除铸造应力的途径§11.1.1固态无相变的合金瞬时应力的发展过程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),讨论瞬时应力的发展过程。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。   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。   4)铸件收缩不受铸型阻碍。   5) 横梁Ⅲ是刚性体。IⅡⅡⅢ§11.1.1固态无相变的合金瞬时应力的发展过程图b为杆I和

5、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c所示。瞬时应力的发展过程可分四个阶段加以说明，如图d所示。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。§11.1.1固态无相变的合金瞬时应力的发展过程第一阶段(τ0～τ1)：tⅡty。杆Ⅱ开始线收缩，而杆I仍处于凝固初期，枝晶骨

6、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。第一阶段线收缩开始温度第二阶段(τ１～τ２)：tⅡ

7、段为应力增长阶段。§11.1.1固态无相变的合金瞬时应力的发展过程线收缩开始温度第三阶段(τ2～τ3)：两杆的温差逐渐减小，到τ2时，温差又减小到ΔtH。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：从上式可以看出，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。第三阶段§11.1.1固态无相变的合金瞬时应力的发展过程线收缩开始温度第四阶段(τ3～τ4)：杆I的冷

8、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：在此阶段，杆I被拉长，故产生拉应力