知识篇——铸件应力及裂纹的种类

1.铸造应力 铸造应力按产生的原因不同，主要可分为热应力、收缩应力两种。 （1）热应力 铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力，称热应力。热应力使冷却较慢的厚壁处受拉伸，冷却较快的薄壁处或表面受压缩，铸件的壁厚差别愈大合金的线收缩率或弹性模量愈大，热应力愈大。定向凝固时，由于铸件各部分冷却速度不一致，产生的热应力较大，铸件易出现变形和裂纹。 （2）收缩应力 铸件在固态收缩时，因受铸型、型芯、浇冒口等外力的阻碍而产生的应力称收缩应力。、一般铸件冷却到弹性状态后，收缩受阻都会产生收缩应力。收缩应力常表现为拉应力。形成原因一经消除（如铸件落砂或去除浇口后）收缩应力也随之消之，因此收缩应力是一种临时应力。但在落砂前，如果铸件的收缩应力和热应力共同作用其瞬间应力大于铸件的抗拉强度时，铸件会产生裂纹。 2.减小和消除铸造应力的措施 （1）合理地设计铸件的结构 铸件的形状愈复杂，各部分壁厚相差愈大，冷却时温度愈不均匀，铸造应力愈大。因此，在设计铸件时应尽量使铸件形状简单、对称、壁厚均匀。 （2）采用同时凝固的工艺 所谓同时凝固是指采取一些工艺措施，使铸件各部分温差很小，几乎同时进行凝固。因各部分温差小，不易产生热应力和热裂，铸件变形小。设法改善铸型、型芯的退让性，合理设置浇冒口等。同时凝固的示意图，该工艺是在工件厚壁处加冷铁，冒口设薄壁处。  （3）时效处理是消除铸造应力的有效措施。 时效分自然时效、热时效和共振时效等。所谓自然时效，是将铸件置于露天场地半年以上，让其内应力消除。热时效（人工时效）又称去应力退火，是将铸件加热到550－650℃，保温2－4h，随炉冷却至150－200T，然后出炉。共振法是将铸件在其共振频率下震动10－60ndn，以消除铸件中的残留应力。 3.铸件的变形与防止 如前所述，在热应力的作用下，铸件薄的部分受压应力,厚的部分受拉应力，但铸件总是力图通过变形来减缓其内应力。因此，铸件常发生不同程度的变形。铸件的变形往往使铸件精度降低，严重时可以使铸件报废，应予防止。因铸件变形是由铸造应力引起，减小和防止铸造应力的办法，是防止铸件变形的有效措施。 3.铸件的裂纹与防止 当铸造内应力超过金属的强度极限时，铸件便产生裂纹。裂纹是严重的铸造缺陷，必须设法防止。裂纹按形成的温度范围分为热裂和冷裂两种。 （1）热裂 ① 热裂的产生 一般是在凝固末期，金属处于固相线附近的高温时形成的。其形状特征是裂缝短，缝隙宽，形状曲折，缝内呈氧化颜色。铸件结构不合理，合金收缩大，型（芯）砂退让性差以及铸造工艺不合理等均可引发热裂。钢和铁中的硫、磷降低了钢和铁的韧性，使热裂倾向增大。 ② 热裂的防止 合理地调整合金成分（严格控制钢和铁中的硫、磷含量），合理地设计铸件结构，采用同时凝固的原则和改善型（芯）砂的退让性，都是防止热裂的有效措施。 （2）冷裂 ① 冷裂的产生 冷裂是铸件冷却到低温处于弹性状态时所产生的热应力和收缩应力的总和，如果大于该温度下合金的强度，则产生冷裂。冷裂是在较低温度下形成的，其裂缝细小，呈连续直线状，缝内干净，有时呈轻微氧化色。壁厚差别大、形状复杂的铸件，尤其是大而薄的铸件易于发生冷裂。 ② 冷裂的防止 凡是减小铸造内应力或降低合金脆性的措施，都能防止冷裂的形成。例如：钢和铸铁中的磷能显著降低合金的冲击韧性，增加脆性，容易产生冷裂倾向，因此在金属熔炼中必须严格加以限制。

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