铸件成形原理作者祖方遒第12章　固态冷却过程中的课件.pptxVIP

铸件成形原理第12章　固态冷却过程中的12.1　铸造应力12.2　铸件变形12.3　铸件裂纹12.1　铸造应力12.1.1　应力的分类和危害［1?3］12.1.2　铸件热应力的形成［1,3,4］12.1.3　影响铸造应力的因素［3,5］12.1.4　减小铸造应力的途径［3,5?7］12.1.5　降低铸造应力的方法［3,5?10］12.1.1　应力的分类和危害［1?3］1. 应力的分类2. 应力的危害1. 应力的分类(1)按应力形成的原因分类(2)按应力作用范围的大小分类(3)按应力作用的时间分类(1)按应力形成的原因分类1)热应力(Thermal Stress)。由于铸件各部分厚薄不同，以至在凝固和其后的冷却过程中冷却速度各异，导致铸件各部分存在温差，从而造成同一时刻铸件各部分的收缩量不一致，使得彼此相互制约而产生应力，这种应力称为热应力。2)相变应力(Phase Transformation Stress)，也称为组织应力。具有固态相变的合金，在加热或冷却过程中，当温度达到一定界限时，便发生组织转变(即相变)。(1)按应力形成的原因分类图12-1　金属框架的热应力变化(1)按应力形成的原因分类图12-2　钢材在温度变化时的体积改变情况(1)按应力形成的原因分类表12-1　钢中各种组织的密度及比体积(1)按应力形成的原因分类图12-3　铸件中的机械阻碍应力1—铸件　2—型芯　3—铸型　4—阻力(2)按应力作用范围的大小分类1)第一类应力(宏观内应力)，即由于材料各部分变形不均匀而造成的宏观范围内的内应力。应力在结构中的较大范围(很多晶粒)内起作用，存在的区域可以大到一个金属结构的部分，其平衡范围大小可与结构尺寸相比较。2)第二类应力(微观内应力)，即物体的各晶粒或亚晶粒之间因不均匀变形而产生的晶粒或亚晶粒间的内应力。3)第三类应力(超微观应力或晶格畸变应力)，即由于晶格畸变，使晶体中的一部分原子偏离其平衡位置而造成的内应力。(3)按应力作用的时间分类1)瞬时应力(Temporary Stress)。瞬时应力是在某一温度场作用下，在某一时间所存在的内应力。它随着引起内应力的原因存在而存在，随着引起内应力的原因消失而消失。通常把在冷却过程中，任一时刻铸件内存在的应力称为瞬时应力。2)残余应力(Residual Stress)。当产生应力的原因消除以后，应力依然存在，这种在无外力作用下以平衡状态存在于铸件内部的应力称为残余应力。即总应力低于合金的弹性极限时，则以残余应力形式存在于铸件内。 (3)按应力作用的时间分类图12-4　壁厚不同的应力框铸件瞬时应力变化过程示意图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2. 应力的危害铸造应力和铸件变形对铸件质量的危害很大。铸造应力是铸件在生产、存放、加工及使用过程中产生变形和裂纹的主要原因，它大大降低了铸件的使用性能。例如，当机件工作应力的方向与残余应力方向相同时，应力叠加，可能超出合金的强度极限而发生断裂。有残余应力的铸件，长久放置或经机械加工后会产生变形，使机件失去精度。在腐蚀性介质中，残余应力还会降低铸件的耐蚀性能，严重时会引起应力腐蚀开裂。因此，必须减小和消除铸件中的应力。12.1.2　铸件热应力的形成［1,3,4］应力框由粗杆Ⅰ、细杆Ⅱ及横梁Ⅲ组成。为了便于讨论，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，最后冷至室温T0。2) 合金线收缩的开始温度为Ty，材料的弹性模量和线胀系数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。12.1.2　铸件热应力的形成［1,3,4］瞬时应力的发展过程可分为以下四个阶段来加以说明，如图12-4d所示。(1) 第一阶段(t0～t1)　TⅡTyTⅠ，杆Ⅱ开始线收缩，而杆Ⅰ此时仍处于凝固的初期，枝晶骨架还没有形成。(2) 第二阶段(t1～t2)　TⅠTy、TⅡTy，两杆均产生线收缩，并且随着时间的推移，其温差逐渐增大。(3)第三阶段(t2～t3)　两杆的温差逐渐减小，到达t2时，两杆温差又减小到ΔTH。(4) 第四阶段(t3～t4)　两杆均进入弹性状态，此时由于两杆温度不同、冷却速度也不同，所以二者的收缩也不同步，粗杆Ⅰ的温度较高，还要进行较大的收缩；细杆Ⅱ的温度较低，收缩已趋于停止。(1) 第一阶段(t0～t1)　TⅡTyTⅠ，杆Ⅱ开始线收缩，而杆Ⅰ此时仍处于凝固的初期，枝晶骨架还没有形成。显然，此时铸件的变形由杆Ⅱ来确定，杆Ⅱ带动杆Ⅰ一起收缩。到t1时，两杆具有同一长度，温差为ΔTH，铸件不产生应力。 也就是说，本阶段两杆都处于塑性状态，尽管此时两杆的冷却速度不同，收缩也不同步，但瞬时应力可通过塑性变形来自行消失，在铸件内无应力产