铸造应力变形及裂纹课件

1、 第9章铸造应力、变形 及裂纹 第9章铸造应力、变形 本章主要内容9.1铸造应力9.2铸件的变形与冷裂9.3铸件的热裂 本章主要内容9.1铸造应力9.1铸造应力 铸件在凝固、冷却过程中，由于受阻收缩、热作用和相变诸因素引起的应力，称为铸造应力。 铸造应力按其形成原因分为类： 热应力 相变应力 机械阻碍应力9.1铸造应力 铸件在凝固、冷却过程中，由于受阻收缩、热铸造应力的形成 温度 变化热膨胀或收缩热应力（自身拘束）机械阻碍应力（外部拘束） 固态相变（伴随比容变化）受阻受阻相变应力铸造应力的形成 温度 热膨胀热应力（自身拘束）机械阻9.1.1热应力 热应力：由于铸件厚薄不均，各部分的冷却速度不同

2、，以至在同一时刻，铸件各部位收缩不一致而引起的内应力称为热应力。 机械阻碍应力：铸件的固态收缩受到铸型和型芯的机械阻碍而产生的应力称为机械阻碍应力。9.1.1热应力 热应力：由于铸件厚薄不均，各部分的冷却1.热应力形成机理 例 应力框铸件 假设： （1）液态金属充满铸型后，立即停止流动，杆I（粗杆）和杆（细杆）的原始长度皆为L0，并都从同一温度开始冷却，最后冷却到室温。 （2）合金线收缩开始温度为Ty，材料的线膨胀系数不随温度变化。（3）在冷却过程中，不发生固态相变，铸件收缩不受铸型阻碍。（4）横梁为刚体，不产生挠曲变形。 1.热应力形成机理 例 应力框铸件 假设：框形铸件中的动态应力分析TY

3、T0t0TLt1t2t4t3 在t0-t1时间内，TTY，TTY，细杆开始线收缩，而粗杆仍处于凝固初期，枝晶骨架尚未形成。此时铸件的变形由细杆确定，细杆带动粗杆一起收缩。到t1时两杆具有同一长度，铸件内不产生热应力。在t1-t2时间内，两杆均发生线收缩。且随着时间的推移，其温差逐渐增大。如果两杆能自由收缩，则细杆的收缩量要比粗杆大。由于两杆彼此相连，始终具有相同长度，故细杆被拉长，粗杆被压缩。这样，在细杆内产生拉应力，而粗杆内产生压应力。 在t3t4时间内，粗杆的冷却速度仍然比细杆快，即粗杆的自由线收缩速度大于细杆。因而，粗杆被拉长，产生拉应力；细杆则相反，产生压应力。冷却到t4（室温）时，铸

4、件内存在残余应力，细杆内为压应力，粗杆内为拉应力。 框形铸件中的动态应力分析TYT0t0TLt1t2t4t3 2.影响热应力大小的因素（拉应力）（压应力）残余热应力大小2.影响热应力大小的因素（拉应力）（压应力）残余热应力大小 1）金属性质的影响（1）金属的弹性模量 金属的弹性模量E越大，铸件中的残余热应力越大。 例如铸钢、白口铁和球墨铸铁的热应力比灰口铁大，主要是与合金的弹性模量有关。 1）金属性质的影响 （2）合金的线收缩系数 合金线收缩系数越高，热应力越大。 1-ZG1Cr18Ni9Ti 2-ZG15CrMo 3-ZG25Cr 4-Cr30 5-灰铸铁 6-Cr15几种铸造合金从0600

5、的线膨胀 （2）合金的线收缩系数 1-ZG1Cr18Ni9Ti几 （3）合金的导热性能 直接影响铸件厚薄两部分温差的大小。 合金钢比碳钢具有较低的导热性能。导热性能低的合金， 较大，因此，在其他条件相同时，将具有较大的残余热应力。 （3）合金的导热性能 2）铸型性质的影响 铸件冷却速度快慢主要取决于铸型的蓄热系数b2。蓄热系数越大，铸件冷却速度越快，引起的温差越大，因此产生的热应力也越大。例如金属型比砂型容易引起更大的热应力。 提前打箱虽然可以减小铸件收缩阻力，但却能造成较大的热应力。 2）铸型性质的影响 3）浇注条件的影响 提高浇注温度，使铸型的温度相应提高，从而降低铸型的激冷能力，减小铸件

6、内部的温度梯度，使铸件各部分温度趋于均匀，因而可减小热应力。 3）浇注条件的影响 4）铸件结构的影响 铸件壁厚差越大，温差越大，引起的热应力也就越大。从减小铸件热应力出发，设计铸件应力求壁厚均匀。 4）铸件结构的影响 9.1.2相变应力 相变应力铸件冷却过程中发生固态相变的时间不一致，相变产物的比容不同，体积和长度变化的时间也不一致，彼此制约，形成的应力称为相变应力。 根据发生相变的温度不同，可以是临时应力也可以是残余应力。9.1.2相变应力 相变应力铸件冷却过程中发生固态相变的例 球墨铸铁中金属基体的热膨胀系数要比石墨大1.5倍，因此，金属基体的热收缩要比石墨球大得多。故当铸件处于高温时，金

7、属基体收缩受到石墨的阻碍，则发生弹性变形，铸件处于应力状态。因而球墨铸铁铸件则有较大的产生应力的倾向。 例9.1.3机械阻碍应力 机械阻碍应力是合金的线收缩受到铸型或型芯等的机械阻力而形成的内应力。 机械阻碍的来源主要有：强度较高、退让性较低的铸型和型芯，砂箱内的箱挡和型芯内的芯骨，设置在铸件上的拉杆、防裂筋，分型面上的铸件飞边，浇冒口系统和铸件上的某些突出部分等。9.1.3机械阻碍应力 机械阻碍应力是合金的线收缩受到铸冷却收缩过程中，轴向受砂型阻碍，径向受型芯 阻碍。砂型型芯铸件冷却收缩过程中，轴向受砂型阻碍，径向受型芯砂型型芯铸件 机械阻碍应力一般使铸件产生拉伸或剪切应力。由于应力是在弹性

8、范围内产生的，阻碍消除（如铸件落砂）后应力消失，故为临时应力。但是当机械阻碍应力与其他应力同时起作用且方向一致时，则会使内应力加剧，甚至导致铸件中出现裂纹。 机械阻碍应力一般使铸件产生拉伸或剪切应力。 综合上述可见，铸造应力是热应力、相变应力以及机械阻碍应力的总和。即 在某一瞬间，一切应力的总和大于金属在该温度下的强度极限时，铸件就要产生裂纹。 综合上述可见，铸造应力是热应力、相变应力9.1.4减小及消除铸造应力的措施 1.合金方面 2.合理设计铸件结构 3.合理选择铸造工艺 4.消除铸造应力 9.1.4减小及消除铸造应力的措施 1.合金方面 1.合金方面 在满足工作条件的前提下，尽量选择弹性

9、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 铸件的壁厚差要尽量小；厚薄壁连接处要圆滑过渡；热节小而分散。 1.合金方面3.合理选择工艺 将铸件厚壁部位的砂层减薄，或放置冷铁，或采用蓄热系数大的型砂；合理设置浇冒口，尽量使铸件各部分温度均匀，避免产生较大的应力和应力集中。3.合理选择工艺 将铸件厚壁部位的砂层减薄，或放置冷铁，3.合理选择工艺 控制铸型和型芯的紧实度，加入适量的木屑、焦炭等，以提高铸型和型芯的退让性；采用较细的面砂和涂料，减小铸型表面的摩擦力，可以有效减小机械阻碍应力；在浇注前预热铸型；适当提高浇注温度，能使铸型的温度相应提高，从而降低铸型的激冷能力，减小铸件内部的

10、温度梯度，使铸件各部分温度趋于均匀，因而可减小热应力。3.合理选择工艺 控制铸型和型芯的紧实度，加入适量的木4.消除铸造应力 1）自然时效 将存在残余应力的铸件放置在露天场地，经数月乃至半年以上时间，使应力慢慢自然消失的过程称为自然时效。 2）人工时效（热处理法） 这是消除残余应力最常用的方法。一般是将铸件缓慢加热到塑性状态的温度范围，在此温度下保温一段时间，利用蠕变产生新的塑性变形，使应力消除。再缓慢冷却，使铸件各部分温度均匀一致，避免出现新的应力。 4.消除铸造应力 1）自然时效 3）共振时效 利用激振器的激振作用使铸件发生共振，从而消除铸件残余应力的方法称为共振法。共振过程中的交变应力与

11、残余应力的共同作用，使铸件产生局部屈服及塑性变形，从而使残余应力松弛，消失。 3）共振时效9.2 铸件的变形与冷裂9.2.1铸件变形 1.变形 残余内应力使铸件处于一种不稳定状态，会自发产生变形以缓解内应力。 受拉的厚壁部缩短受压的薄壁部伸长9.2 铸件的变形与冷裂9.2.1铸件变形受拉的厚壁部缩短铸件变形的一般规律： 厚的部位受拉应力所以向内凹，薄的部位受压应力则向外凸。铸件变形的一般规律：铸件变形实例机床床身 机床床身由于其导轨面较厚，其侧面较薄，因而在冷却过程中厚薄两部分产生温差，致使导轨面受拉应力，侧面受压应力。变形的结果，导轨面向下凹，薄壁侧面向下凸。机床床身变形示意图铸件变形实例机

12、床床身机床床身变形示意图 厚薄不均匀的T型梁 变形的方向是厚的部分向内凹，薄的部分向外凸，如图中虚线所示。T字梁铸件的变形 厚薄不均匀的T型梁T字梁铸件的变形 壁厚均匀的槽形铸件 由于充填铸型先后的影响，下部先冷，上部后冷，最终出现与T型粱类似的应力和变形。 壁厚均匀的槽形铸件 半球壳形铸钢件 熔模精铸法生产的半球壳形铸钢件由于浇口棒粗大，最后冷却时的收缩使铸件变形为椭圆，其短轴方向与浇口棒方向一致。 半球壳形铸钢件 带轮铸件变形 由于轮缘厚度比轮毂薄，冷却后容易向内凹，导致加工余量不足。轮缘变形示意图 带轮铸件变形轮缘变形示2、防止与消除变形的措施 （1）反变形法 （见图） 在制造模样时，按

13、铸件可能产生变形的反方向做出反变形模样，使铸件变形后的结果正好与反变形量相抵消，得到符合设计要求的铸件。轮缘加厚示意图2、防止与消除变形的措施 （1）反变形法 （见图） 轮缘 （2）铸件壁厚的联接 铸件转角处应有结构圆角。 避免锐角联接。 厚壁、薄壁间联接要逐步过渡。 （2）铸件壁厚的联接 （3）设置防变形的拉筋 在铸造应力集中的部位设置拉筋，拉筋可在应力退火后去掉镁合金雷达罩 （3）设置防变形的拉筋镁合金雷达罩 （4）用浇注系统调整铸件的温度场。 如槽形铸件，如果浇注时将直浇道一端抬高，改变原来的充填顺序，有利于应力和变形的防止；如球壳铸件，若改用环形浇道，内浇道增加成三个并均布，即可减小变

14、形。槽形铸件 （4）用浇注系统调整铸件的温度场。槽形铸件机械方法进行校正 已经产生变形的铸件，如果材料的塑性好，可以用机械方法进行校正，例如精铸件及有色金属铸件。但变形量过大或材料塑性差，校正困难。机械方法进行校正9.2.2铸件的冷裂 当铸造应力超过金属的抗拉强度时，铸件就会产生裂纹。按裂纹形成的温度范围，可分为冷裂和热裂两种类型。 热裂9.2.2铸件的冷裂 当铸造应力超过金属热裂当铸件冷至较低温度，铸造内应力超过合金的 抗拉强度时，将形成冷裂。出现部位：尖角、缩孔、气孔以及非金属夹杂 物等附近。铸件壁厚差别大，特别是形状复杂的大型薄壁 铸件越易产生冷裂；脆性大、塑性差的合金，如灰铸铁、白口铸

15、 铁、高锰钢当铸件冷至较低温度，铸造内应力超过合金的冷裂特征 断口表面有金属光泽，无氧化色，裂纹细小，呈连续直线形，常常是穿晶断裂。铸钢件冷裂纹 冷裂特征铸钢件冷裂纹 例 ZG35CrMn齿轮毛坯铸件中的冷裂纹 例 影响冷裂的因素 影响冷裂的因素与影响铸造应力的因素基本一致。合金的成分 钢中的C、Cr、Ni等元素，虽能提高钢的质量，但却降低了钢的导热性，因而这些元素的含量相对较高时，会增大钢的冷裂倾向。 P增加钢的冷脆性，当钢中含P含量大于0.1%时，钢的冲击韧性急剧下降，冷裂倾向也明显增加。影响冷裂的因素熔炼质量 当钢脱氧不足时，氧化夹杂物聚集在晶粒边界上，使钢的冲击韧性和强度下降，促使冷裂

16、形成。钢中其他非金属夹杂物增多时也有类似情况。熔炼质量材料的组织和塑性 有色金属由于塑性好易产生塑性变形，冷裂倾向较小。低碳奥氏体钢（如高锰钢、镍铬耐酸钢）弹性极限低而塑性好，很少形成冷裂。材料的组织和塑性防止冷裂的措施 在要求铸件冷却速度、减少铸型和型芯阻力方面，与防止铸造应力的措施相同；在铸件结构和设加强筋方面与防止热裂的要求大致相同。 要避免铸件发生变形和裂纹，最根本的办法是减小残余应力。防止冷裂的措施9.3铸件的热裂热裂铸件凝固末期，固态金属已开始线收缩，而晶间还残有少量液体，若收缩受阻，铸件便易产生热裂纹。热裂9.3铸件的热裂热裂铸件凝固末期，固态金属已开始线收缩，9.3.1热裂的分

17、类与形貌特征热裂的形貌特征： 裂纹短，缝宽，形状曲折，呈氧化色。热裂的微观特征是沿晶开裂。 铸钢件裂口表面近于暗黑色，而铝合金则呈灰色。当铸钢件冷却缓慢时，裂口的边缘常有脱碳现象。9.3.1热裂的分类与形貌特征热裂的形貌特征： 铸件热裂的外观特征 热裂沿晶粒边界穿过 铸件热裂的外观特征 热裂沿晶粒边界穿碳钢热裂形成温度试验 试验方法：在铸件凝固过程中，每隔一定时间，在记录铸件温度的同时摄取一张x射线底片。 试验材料： 碳钢碳钢热裂形成温度试验 碳钢出现热裂的温度 “O”表示发现热裂前一测定时刻记录的温度； “”表示x射线底片上发现裂纹时的温度， 热裂产生的温度应在O之间； O是硫含量偏高的情况

18、； 是磷含量偏高的情况。 碳钢出现热裂的温度 “O”表示发现热试验表明，铸钢热裂形成温度在固相线附近。应当指出，在铸造条件下、合金是在非平衡条件下结晶的，低熔点物质被排斥于晶界，使实际固相线低于平衡固相线。试验中硫、磷含量偏高时，影响更为明显。试验表明，铸钢热裂形成温度在固相线附近。在低于液相线某温度时，铸件开始线收缩。因此可以认为，热裂形成温度是在非平衡的线收缩开始温度到非平衡的固相线温度区间内。这一温度区间被称为“有效结晶温度范围”。 在低于液相线某温度时，铸件开始线收缩。因9.3.2热裂的形成机理 热裂产生的基本条件是材料的拉伸变形量超过了它的塑性变形能力（）。 在凝固过程中如果铸件收缩

19、受到阻碍，就必然会导致内部产生拉伸变形。因此，裂纹产生的倾向性主要取决于材料本身在凝固过程中的变形能力。当有液相存在时，金属的变形能力与完全固态时不同，它取决于液相的数量、分布形态及其性质。 9.3.2热裂的形成机理 热裂产生的基本条件是材料的拉伸变 根据金属在凝固过程中的变形特点和能力，其凝固过程大致可分为三个区（如图）： 区 区 区不同结晶阶段示意图TL液相线温度 Tu树枝晶局部联生温度 TS实际固相线温度 根据金属在凝固过程不同结晶阶段示意图TL液区内，晶粒与晶粒之间有大量的液体存在，此时变形可以通过液体金属的自由流动来实现，因此不产生裂纹。在区内，枝晶间的液相很少，已形成薄的液层，但仍

20、与液相连通，有一定的变形能力，若变形速度不大以及液态金属具有足够的流动性时，一般不会出现裂纹。 区内，晶粒与晶粒之间有大量的液体存在，在区内，枝晶已生长到相碰、并局部联生，形成封闭的液膜，此时若凝固收缩将晶间液膜拉开，就无法弥补，从而形成裂纹。 由此可见，最容易形成热裂纹的上限温度应该是树枝晶开始相互接触、并局部联生的温度Tu；下限温度则为凝固终了的实际固相线温度TS。在区内，枝晶已生长到相碰、并局部联生， 凝固裂纹产生的具体条件，可用下图来说明。 图中： 表示在脆性温度区TB内金属的塑性，它随温度的变化而变化，在某一瞬时出现最小值min 表示在拉伸应力作用下金属的应变，它也是温度的函数，故可

21、用应变增长率 表示。 凝固裂纹产生的具体条件，可用下图来说明。 产生凝固裂纹的条件应变量 塑性 TL液相线 TS固相线TB脆性温度区 TUTB上限 TSTB下限,TBT/TLTUTSTSmin123 f (T)(T)脆性温度区 TB 越大，收缩应力的作用时间就越长，产生的应变量越大，形成热裂纹的倾向越大。TB内金属的塑性min越低，产生热裂纹的倾向越大。 TB 内的应变增长率 /T 越大，越容易产生裂纹。线2 所对应的 /T 为临界应变增长率，用“CST”表示。CST 越大，材料对热裂纹敏感性越小。 产生凝固裂纹的条件,TBT/TLTUTSTS 脆性温度区TB的大小和金属在脆性温度区的塑性主要

22、决定于化学成分、凝固条件、偏析程度、晶粒大小和方向等冶金因素； 而应变增长率主要决定于金属的热胀系数、铸件收缩阻力及冷却速度等力学因素。 脆性温度区TB的大小和金属在脆性温度区的9.3.3影响热裂纹形成的因素冶金因素工艺因素防止热裂纹的措施液态金属成形中的结晶裂纹倾向试验9.3.3影响热裂纹形成的因素冶金因素凝固温度区间的影响合金元素和杂质的影响凝固组织形态的影响 一、冶金因素对热裂纹倾向的影响凝固温度区间的影响 一、冶金因素对热裂纹倾向的影响1凝固温度区间的影响 凝固温度区增大 脆性温度区范围增大 凝固裂纹的倾向增大其他类型合金 wB /%wB /%裂纹倾向/%温度/凝固温度区间与裂纹倾向的

23、关系1凝固温度区间的影响 凝固温度区增大 wB /%wB /% 二元合金相图与凝固裂纹倾向的关系a）完全固溶 b）有限固溶 c）机械混合物 d）完全不固溶虚线凝固裂纹倾向的变化a）b）c）d）温度T/ 二元合金相图与凝固裂纹倾向的关系a）b）c）d）温度T/2、合金元素和杂质元素的影响 合金元素尤其是易形成低熔点共晶的杂质元素是影响热裂纹产生的重要因素。硫和磷是钢中最有害的杂质元素，在各种钢中都会增加热裂纹倾向。它们既能增大凝固温度区间，与其他元素形成多种低熔点共晶，又是钢中极易偏析的元素。Ni、C与Mn的影响合金元素对热裂纹的影响已建立了一些定量判据，如热裂纹敏感系数HCS、临界应变增长率C

24、ST等。2、合金元素和杂质元素的影响 合金元素尤其是易形成碳在钢中是影响热裂纹的 主要元素，并能加剧硫磷及其他元素的有害作用。碳能明显增加结晶温度区间，并且随着碳含量的增加，初生相可由相转为相。由于硫和磷在相中的溶解度比在相中低很多，如果初生相为相，则析出的硫和磷就会富集于晶界，从而增加凝固裂纹倾向。图11-54 Fe-C 相图的高温部分温度T/wC/%Fe-C相图的高温部分碳在钢中是影响热裂纹的图11-54 Fe-C 相图的高温部锰具有脱硫作用，同时也能改善硫化物的形态，使薄膜状改变为球状，提高金属的抗裂性。钢中碳含量增加时，Mn的加入量也要相应增加。当wC0.16时，wMn/wS25即可防

25、止热裂纹的产生。但是当 wC0.16（包晶点）时，磷的有害作用将超过硫，此时再增加wMn/wS比值对防止热裂纹已无意义。锰具有脱硫作用，同时也能改善硫化物的形3凝固组织形态的影响 晶粒的大小形态和方向及析出的初生相对抗裂性都有很大影响。晶粒越粗大，方向性越明显，产生热裂纹的倾向就越大。金属中加入某些合金元素（如Ti、Mo、V、Nb等）使晶粒细化，既可破坏液态薄膜的连续性，又可打乱枝晶的方向性，从而提高金属的抗裂性。3凝固组织形态的影响 晶粒的大小形态和方向及析出的初生相 相在奥氏体基底上的分布a）单相奥氏体 b）奥氏体奥氏体铁素体液态薄膜a)b) 相在奥氏体基底上的分布奥氏体奥氏体铁素体液态薄

26、膜a)b二、工艺因素对热裂纹倾向的影响铸造工艺参数温度场分布及变化凝固组织形态与偏析程度结构形式与拘束程度结晶应力与应变凝固裂纹二、工艺因素对热裂纹倾向的影响铸造工艺温度场分布及变化凝固组9.3.4防止热裂纹的途径 防止热裂：注意结晶特点和化学成分，合理设计铸件结构及减少铸型阻力。 1.冶金措施 （1）在满足铸件使用性能的前提下，尽量选择结晶温度范围较小的合金，或选用抗裂性较好的接近共晶成分的合金等。9.3.4防止热裂纹的途径 防止热裂：注意结晶特点和化学结晶温度范围越宽，凝固收缩量越大，热裂倾向也越大。铸钢、铸造铝合金热裂倾向就大，灰铸铁和球墨铸铁的热裂纹倾向较小。结晶温度范围越宽，凝固收缩量越大，热裂倾向也越大。（2）限制有害杂质 控制炉料中的杂质含量和采取有效的精炼措施（3）改善夹杂物在铸件中的形态和分布，从而提高抗裂能力。（4）细化晶粒 采取变质处理、振动结晶、在旋转磁场中凝固、悬浮铸造等细化一次结晶的措施（2）限制有害杂质 2.工艺措施 （1）减小铸件的收缩应力，如增加铸型和型芯的退让性，预热铸型，在铸型和型芯