鑄造合金動態(tài)應(yīng)力測試儀

中文名稱

鑄造合金動態(tài)應(yīng)力測試儀

英文名稱

dynamic stress tester of casting alloy

定　　義

測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)之間動態(tài)變化的儀器。

應(yīng)用學(xué)科

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

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，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)力同時作用，應(yīng)力瞬間超過鑄件的強(qiáng)度極限時，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

鑄造應(yīng)力相變應(yīng)力

相變應(yīng)力是鑄件在冷卻時發(fā)生相變，由于體積變化造成的內(nèi)應(yīng)力。對于鋼鐵材料，在彈性狀態(tài)溫度范圍內(nèi)冷卻，相變造成體積膨賬。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，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，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)周期長占地面積大，而且消除殘留應(yīng)力不徹底。

2.加熱時效處理。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、時效溫度、保溫時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，就會產(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. 時效溫度和保溫時間。時效溫度應(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；溫度過低則需延長保溫時間，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，對于一般鑄件，采用30°C/h左右的冷卻速度；對于精密工具機(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，又可以避免時效后的鑄件經(jīng)粗加工時產(chǎn)生新的殘留應(yīng)力。時效爐爐溫均勻與否，對消除原殘留應(yīng)力和不再形成新的殘留應(yīng)力有很大關(guān)系。時效爐的溫度差應(yīng)盡可能小。