鑄造應(yīng)力

鑄造應(yīng)力相變應(yīng)力

相變應(yīng)力是鑄件在冷卻時(shí)發(fā)生相變，由于體積變化造成的內(nèi)應(yīng)力。對(duì)于鋼鐵材料，在彈性狀態(tài)溫度范圍內(nèi)冷卻，相變?cè)斐审w積膨賬。使鑄件厚壁部分受壓應(yīng)力，薄壁部分受拉應(yīng)力。相變應(yīng)力方向與 熱應(yīng)力方向相反。一般相變應(yīng)力很小。

鑄造應(yīng)力熱應(yīng)力

鑄件凝固末期即鑄件合金已搭結(jié)成枝晶網(wǎng)絡(luò)骨架開始及隨后的冷卻過程中，鑄件橫截面和厚薄不同之處由于存在著溫度差而產(chǎn)生的鑄造應(yīng)力，稱之為熱應(yīng)力。鑄件橫截面內(nèi)外，厚薄不同之處冷卻速度有差異，致使有溫度差而導(dǎo)致固態(tài)收縮速率不致辭而相互制約，從而產(chǎn)生了熱應(yīng)力。

鑄造應(yīng)力機(jī)械應(yīng)力

機(jī)械應(yīng)力是鑄件在冷卻收縮時(shí)，受到鑄型或型芯的阻礙而引起的，這種應(yīng)力是拉應(yīng)力或切應(yīng)力。當(dāng)鑄件落砂、清理后，鑄件收縮的障礙去除，機(jī)械應(yīng)力隨之消失。

鑄造應(yīng)力鉆孔法

該方法的基本原理是以機(jī)械加工或其他方法在有一定殘余應(yīng)力的鑄件表面形成一小盲孔。由于鉆孔使孔周圍的殘余應(yīng)力部分或全部釋放并造成相應(yīng)的位移與應(yīng)變，在盲孔周圍的某些部位利用一定的裝置測(cè)量這些位移或應(yīng)變，再通過力學(xué)分析推算出原始存在的殘余應(yīng)力的大小。鉆孔法隨著研究的不斷進(jìn)展，出現(xiàn)了很多種方法，如機(jī)械測(cè)長(zhǎng)法、電阻應(yīng)變儀法、應(yīng)用脆性涂層的方法以及用、小顆?？諝饬鞲咚?沖擊試件表面形成小盲孔的氣流磨蝕法等。鉆孔法是工程中最通用的一種殘余應(yīng)力測(cè)定方法，其操作方便且可靠性好，但測(cè)量的反應(yīng)速度慢、其測(cè)量精度受很多因素的影響，如基本力學(xué)模型、孔邊的塑性變形、鉆孔附加應(yīng)變及操作誤差，所以要求測(cè)量技術(shù)人員要具有扎實(shí)的理論知識(shí)和操作技術(shù)。

鑄造應(yīng)力剝層法

剝層法是采用銑、研磨、腐蝕、電解腐蝕或電火花剝蝕等方法對(duì)已磨削平整的表面進(jìn)行逐層剝除，從而使表面殘余應(yīng)力釋放，引起鑄件產(chǎn)生變形，測(cè)量其變形量的大小，再根據(jù)彈性力學(xué)理論推算出被剝層內(nèi)的應(yīng)力。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以測(cè)定厚度上梯度較大的內(nèi)應(yīng)力，主要用于飛機(jī)制造中的整體結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力測(cè)試，但存在著一定的局限 性。

鑄造應(yīng)力壓痕法

壓痕法測(cè)定殘余應(yīng)力是在工件待測(cè)點(diǎn)中心放置軸承鋼球，通過沖擊或靜壓的方法，施加一定的沖擊功或靜壓力，使其在工件表面產(chǎn)生直徑的球冠形壓痕，在壓痕周圍產(chǎn)生一定的疊加應(yīng)力并形成一定的應(yīng)變，由壓痕周圍的應(yīng)變花測(cè)得該應(yīng)變值。根據(jù)疊加應(yīng)力場(chǎng)引起的應(yīng)變?cè)隽縼碛?jì)算原始的殘余應(yīng)力。此方法基本上不損壞被測(cè)構(gòu)件，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，適用于應(yīng)力梯度變化大的場(chǎng)合，是一種有發(fā)展前景的殘余應(yīng)力測(cè)定方法。

鑄造應(yīng)力X 射線衍射法

構(gòu)成材料的各晶粒上施加彈性應(yīng)力時(shí)，晶粒內(nèi)的特定晶面的面間距會(huì)發(fā)生變化。X射線衍射法的檢測(cè)原理為利用X射線對(duì)晶體晶格的衍射發(fā)生干涉現(xiàn)象。由此可求出晶格的面間距并推算出殘余應(yīng)力。在無損測(cè)定殘余應(yīng)力的方法中X射線衍射法的技術(shù)最為成熟，它可以測(cè)量出應(yīng)力的絕對(duì)值，但測(cè)量的深度較淺。為了測(cè)量較深處的殘余應(yīng)力可以利用和X射線衍射法原理相同的中子衍射法，其探測(cè)精度較好。

鑄造應(yīng)力超聲波法

材料受應(yīng)力作用時(shí)會(huì)直接影響彈性波在其內(nèi)部的傳播速度。超聲波法就是利用超聲波波速與應(yīng)力之間的關(guān)系測(cè)量受應(yīng)力物體的殘余應(yīng)力。 超聲波法在鑄件殘余應(yīng)力測(cè)試中可以測(cè)量結(jié)構(gòu)應(yīng)力和表淬殘余應(yīng)力，但其測(cè)量精度低只能測(cè)試殘余應(yīng)力值大的鑄件。最近，將超聲技術(shù)和紅外熱像技術(shù)相結(jié)合的超聲熱像技術(shù)腳，可以很靈敏和迅速地對(duì)缺陷或結(jié)構(gòu)和應(yīng)力不均勻的區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，充分利用了兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

鑄造應(yīng)力熱評(píng)價(jià)法和磁力法

物體的比熱是隨應(yīng)力而變化的，如果能夠精確控制注人構(gòu)件表面能量 并準(zhǔn)確測(cè)量由此而產(chǎn)生的溫升，就可以得到一條與構(gòu)件殘余應(yīng)力相關(guān)的溫度曲線。熱評(píng)價(jià)殘余應(yīng)力測(cè)定方法就是利用應(yīng)力將會(huì)引起物體的比熱發(fā)生變化的原理而形成的。鐵磁性材料內(nèi)部存在大小不同的磁疇?wèi)?yīng)力和外加磁場(chǎng)可改變磁疇的大小，從而使物體的尺寸與磁力性能發(fā)生變化。根據(jù)這種變化可以推測(cè)出殘余磁性與應(yīng)力的變化關(guān)系，這兩種方法的發(fā)展前景很好，測(cè)量速度快，無輻射危險(xiǎn)。 2100433B

鑄造應(yīng)力是在鑄件全部進(jìn)入彈性狀態(tài)后，由于收縮受阻或收縮不同步而產(chǎn)生的彈性應(yīng)力。鑄造應(yīng)力削弱鑄件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低鑄件的承載能力。同時(shí)造成鑄件變形，甚至開裂，并引起機(jī)械加工后，在使用過程中尺寸發(fā)生變化，不能保證加工精度的可靠性和整機(jī)的精度。

鑄造應(yīng)力鑄造中消除

為能減少鑄造熱應(yīng)力，除了力求鑄件壁厚均勻，結(jié)構(gòu)合理外，從工藝上可采取以下措施減少鑄件冷卻過程中各部分的溫差:

1. 在鑄件厚實(shí)部分放置冷鐵或蓄熱系數(shù)較大的型砂如碳素砂、鎂砂等，加快這些部分的冷卻速度。

2.在鑄件厚大部分附近的型砂中埋設(shè)鋼管，管內(nèi) 通壓縮空氣或水進(jìn)行強(qiáng)制冷卻; 如大型鑄件地坑造型 時(shí)，在厚實(shí)部分放置冷鐵，并在冷鐵下方再放置冷卻 器進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。

3.鑄件凝固后，在達(dá)到彈性狀態(tài)以前，去掉鑄件厚實(shí)部分的型砂或砂芯，使之暴露于空氣中快速冷卻，甚至吹壓縮空氣或澆水進(jìn)一步加速其冷卻。

4.將內(nèi)澆口開在鑄件較薄部分，使鑄件各部分的冷卻速度趨于一致。

5.提高鑄型溫度，使整個(gè)鑄件緩慢冷卻，以減少鑄件各部分的溫差。

6.確定合理的落砂規(guī)范，使鑄件在型中冷卻到合適的溫度然后再落砂。

7.對(duì)于要求冷卻十分緩慢的鑄件，可以在紅熱狀態(tài)下開箱，并盡快裝入預(yù)先加熱到500～600°C的保溫爐或燜火坑中，使鑄件各部分溫度趨于一致，然后隨爐緩冷到200～250°C出爐。

鑄造應(yīng)力鑄造后消除

冷卻后的鑄件若殘留有較大的內(nèi)應(yīng)力，或?qū)Τ叽绶€(wěn)定性要求較高的鑄件，可用消除內(nèi)應(yīng)力的方法處理：

1.自然時(shí)效處理。將鑄件露天放置半年至一年多，可以自然但非常緩慢地變形，使殘留應(yīng)力松弛或大部分消除。雖然不需要任何附加設(shè)備，但生產(chǎn)周期長(zhǎng)占地面積大，而且消除殘留應(yīng)力不徹底。

2.加熱時(shí)效處理。將鑄件加熱到合金的彈塑性狀態(tài)的溫度范圍，保持一段時(shí)間，待應(yīng)力消失后，再緩慢冷卻到常溫。

鑄造應(yīng)力加熱消除

加熱速度、時(shí)效溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度等一系列工藝參數(shù)，要根據(jù)合金性質(zhì)、鑄件結(jié)構(gòu)和原始冷卻條件的特點(diǎn)來規(guī)定。

1. 裝爐溫度和加熱速度。在裝爐和加熱過程中，鑄件各部分溫度升高不一致時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生新的熱應(yīng)力。如果薄的部分或外層溫度上升較快，而厚的部分或內(nèi)層溫度上升較慢，則薄處或外層產(chǎn)生新的壓應(yīng) 力，而厚處或內(nèi)層產(chǎn)生新的拉應(yīng)力。這種新的應(yīng)力與殘留熱應(yīng)力方向一致。

為了防止因裝爐和加熱過程中產(chǎn)生過大的臨時(shí)熱應(yīng)力而導(dǎo)致鑄件開裂，應(yīng)限制裝爐溫度和加熱溫度，特別是對(duì)于殘留熱應(yīng)力較大鑄件，裝入冷爐中。如果必須裝入熱爐中，在裝爐時(shí)應(yīng)把鑄件薄壁部分放在爐溫較低處，把鑄件厚壁部分放在溫度較高處，以減小臨時(shí)熱應(yīng)力。在某些情況下，即使鑄件各部分溫度上升比較均勻，也可能出現(xiàn)裂紋。 這是因?yàn)楹辖饛?qiáng)度隨溫度上升而降低的速度大于應(yīng) 力消失速度的緣故。

2. 時(shí)效溫度和保溫時(shí)間。時(shí)效溫度應(yīng)在鑄鐵的彈塑性狀態(tài)溫度范圍內(nèi)。溫度過高易發(fā)生滲碳體分解，降低鑄鐵的硬度和耐磨性；溫度過低則需延長(zhǎng)保溫時(shí)間，使鑄件各部分溫度一致并消除殘留應(yīng)力。

3. 冷卻速度和出爐溫度。在冷卻過程中應(yīng)防止鑄件各部分溫差過大而產(chǎn)生新的殘留熱應(yīng)力，因此要限制冷卻溫度。在 350°C以上，對(duì)于一般鑄件，采用30°C/h左右的冷卻速度；對(duì)于精密工具機(jī)床和儀器 鑄件，采用18°C/h左右的冷卻速度。在350°C以下可以采用較快的冷卻速度。一般情況下，加熱時(shí)效是在零件粗切削加工以后進(jìn)行的，這既有利于原有殘留應(yīng)力的消除，又可以避免時(shí)效后的鑄件經(jīng)粗加工時(shí)產(chǎn)生新的殘留應(yīng)力。時(shí)效爐爐溫均勻與否，對(duì)消除原殘留應(yīng)力和不再形成新的殘留應(yīng)力有很大關(guān)系。時(shí)效爐的溫度差應(yīng)盡可能小。

鑄件在凝固后繼續(xù)冷卻至室溫產(chǎn)生固態(tài)收縮，當(dāng)收縮受到阻礙而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為鑄造應(yīng)力。它是鑄件產(chǎn)生變形和裂紋等缺陷的主要原因，鑄造應(yīng)力可分為機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力兩種。

鑄造合金收縮性機(jī)械應(yīng)力

鑄件在固態(tài)收縮時(shí)，受到鑄型或型芯等的機(jī)械阻礙而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為機(jī)械應(yīng)力， 也稱收縮應(yīng)力，如圖《機(jī)械應(yīng)力》所示。機(jī)械應(yīng)力是暫時(shí)的，鑄件從鑄型中取出之后便可自行消除。但在鑄型中機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力同時(shí)作用，應(yīng)力瞬間超過鑄件的強(qiáng)度極限時(shí)，鑄件將產(chǎn)生裂紋。在工藝上增加鑄型的退讓性可堿小鑄件的機(jī)械應(yīng)力。

鑄造合金收縮性熱應(yīng)力

由于鑄件壁厚不均勻，造成各部分冷卻速度不同，在同一時(shí)期內(nèi)鑄件各部分收縮不一致而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。 2100433B

合金在高溫時(shí)產(chǎn)生的裂紋稱為熱裂，而在低溫或常溫時(shí)因鑄造應(yīng)力過大而產(chǎn)生的裂紋稱為冷裂。熱裂和冷裂均由合金收縮所引起，熱裂是凝固收縮引起，而冷裂主要由固態(tài)收縮產(chǎn)生的鑄造應(yīng)力而導(dǎo)致。不同種類合金其產(chǎn)生熱裂的傾向不同，如高鉻鉬合金鋼熱裂傾向大，而普通灰鑄鐵幾乎無熱裂傾向。不同化學(xué)成分的合金在同等鑄造條件下所產(chǎn)生的鑄造應(yīng)力也不同。如相同結(jié)構(gòu)的鑄件比較，鑄鋼件中殘留鑄造應(yīng)力大于球鐵件，后者又大于普通灰鐵件。此外，鑄件的變形及鑄造應(yīng)力大小與鑄件結(jié)構(gòu)和鑄造條件密切相關(guān)，因而在設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)盡量采用均勻壁厚，并使其在鑄造時(shí)能同時(shí)冷卻，以減少鑄造應(yīng)力。

中文名稱

鑄造合金動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試儀

英文名稱

dynamic stress tester of casting alloy

定　　義

測(cè)定并記錄鑄造合金在凝固過程中，應(yīng)力、溫度、線性收縮三參數(shù)之間動(dòng)態(tài)變化的儀器。

應(yīng)用學(xué)科

機(jī)械工程（一級(jí)學(xué)科），實(shí)驗(yàn)室儀器和裝置（二級(jí)學(xué)科），鑄造儀器名稱-沖天爐及鑄造合金測(cè)試儀（三級(jí)學(xué)科）