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一、鑄造應(yīng)力的定義、分類和危害

    1、定義：

    鑄造應(yīng)力(casting stress)：金屬在凝固和冷卻過程中體積變化受到外界或其本身的制約，變形受阻，而產(chǎn)生的應(yīng)力。

    2、分類：

     A. 按應(yīng)力形成的原因分：

（1） 熱應(yīng)力(thermal stress)：鑄件各部分厚薄不同， 在凝固和其后的冷卻過程中，冷卻速度不同，造成同一時(shí)刻各部分收縮量不一致，鑄件各部分彼此制約，產(chǎn)生的應(yīng)力。

（2） 相變應(yīng)力(phase transformation stress)： 固態(tài)發(fā)生相變的合金，由于鑄件各部分冷卻條件不同，它們到達(dá)相變溫度的時(shí)刻不同，且相變的程度也不同而產(chǎn)生的應(yīng)力。

（3） 機(jī)械阻礙應(yīng)力(mechanism hindered stress)：鑄件收縮受到鑄型、型芯、箱擋和芯骨等機(jī)械阻礙所產(chǎn)生的應(yīng)力。

     B. 按應(yīng)力存在的時(shí)間分：

（1）臨時(shí)應(yīng)力(temporary stress)：產(chǎn)生應(yīng)力的原因消失，應(yīng)力便消失。

（2）殘余應(yīng)力(residual stress)：產(chǎn)生應(yīng)力的原因消除后，仍然存在的應(yīng)力。

    3、應(yīng)力的危害：

    鑄造應(yīng)力和鑄件的變形對(duì)鑄件質(zhì)量的危害很大。鑄造應(yīng)力是鑄件在生產(chǎn)、存放、加工以及使用過程中產(chǎn)生變形和裂紋的主要原因，它降低鑄件的使用性能。例如，當(dāng)機(jī)件工作應(yīng)力的方向與殘余應(yīng)力的方向相同時(shí)，應(yīng)力疊加，可能超出合金的強(qiáng)度極限，發(fā)生斷裂。有殘余應(yīng)力的鑄件，放置日久或經(jīng)機(jī)械加工后會(huì)變形，使機(jī)件失去精度。產(chǎn)生變形的鑄件可能因加工余量不足而報(bào)廢，為此需要加大加工余量。在大批量流水生產(chǎn)時(shí)，變形的鑄件在機(jī)械加工時(shí)往往因放不進(jìn)夾具而報(bào)廢。此外，撓曲變形還降低鑄件的尺寸精度，尤其對(duì)精度要求較高的鑄件，防止產(chǎn)生變形尤為重要。

二、金屬凝固和冷卻過程中產(chǎn)生的應(yīng)力

    在不考慮機(jī)械阻礙時(shí)，該合金鑄件中的瞬時(shí)應(yīng)力就是熱應(yīng)力。以應(yīng)力框?yàn)槔?圖9-1),討論瞬時(shí)應(yīng)力的發(fā)展過程。   

    應(yīng)力框由桿I，桿Ⅱ以及橫梁Ⅲ組成。為便于討論，作如下假設(shè)：   

    1) 金屬液充滿鑄型后，立即停止流動(dòng)，桿I和桿Ⅱ從同一溫度tL開始冷卻，最后冷卻到室溫t0。

    2)  合金線收縮開始溫度為ty，材料的收縮系數(shù)α不隨溫度變化。

    3)  鑄件不產(chǎn)生撓曲變形。

    4) 鑄件收縮不受鑄型阻礙。

    5)  橫梁Ⅲ是剛性體。  

    圖9-1b為桿I和桿Ⅱ的冷卻曲線。開始冷卻時(shí)，兩桿具有相同的溫度tL，最后又冷卻到同一溫度t0。由于桿I較厚，冷卻前期桿Ⅱ的冷卻速度大于桿I，而后期必然是桿I的冷卻速度比桿Ⅱ快。在整個(gè)冷卻過程中，兩桿的溫差變化如圖9-1c所示。

    近期的研究工作表明，合金的溫度低于液相線以后，其變形由彈性變形、塑性變形和粘彈性變形組成，且以彈性變形為主。這樣，鑄件在冷凝過程中，收縮一旦受阻，就產(chǎn)生應(yīng)力。

    瞬時(shí)應(yīng)力的發(fā)展過程可分四個(gè)階段加以說明，如圖9-1d所示。

    第一階段(τ0～τ1)：tⅡ<ty ,tⅠ>ty。桿Ⅱ開始線收縮，而桿I仍處于凝固初期，枝晶骨架尚未形成。顯然，此時(shí)鑄件的變形由桿Ⅱ確定，桿Ⅱ帶動(dòng)桿I一起收縮。到τ1時(shí)，兩桿具有同一長(zhǎng)度，溫差為ΔtH，鑄件不產(chǎn)生應(yīng)力。

    式中   

        α——線收縮系數(shù)，

        L——桿長(zhǎng)。   

    即桿Ⅱ要比桿I多收縮α（Δtmax - ΔtH）L。但兩桿彼此相連，始終具有相同長(zhǎng)度，故桿Ⅱ被拉長(zhǎng)，桿I被壓縮。這樣，在桿Ⅱ內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，在桿I內(nèi)則產(chǎn)生壓應(yīng)力。到τ２時(shí)，應(yīng)力達(dá)到極大值，該階段為應(yīng)力增長(zhǎng)階段。

    第三階段(τ2～τ3)：兩桿的溫差逐漸減小，到τ2時(shí)，溫差又減小到Δt H。在此階段，桿I的冷卻速度大于桿Ⅱ，即桿I的自由線收縮速度大于桿Ⅱ。從τ2到τ3，兩桿自由線收縮量的差值為： 

    從式(9—2)可以看出，從τ1到τ3，兩桿的自由線收縮量相等。因?yàn)榧俣ㄨT件只產(chǎn)生彈性變形，所以到達(dá)τ3時(shí)，兩桿中的應(yīng)力值均為零。這樣，在第三階段，兩桿中的應(yīng)力逐漸減小，到τ3時(shí)，鑄件處于完全卸載狀態(tài)。

    第四階段(τ3～τ4)：桿I的冷卻速度仍然比桿Ⅱ快，即桿I 的自由線收縮速度大于桿Ⅱ。從τ3到τ4兩桿自由線收縮的差值為：

    在此階段，桿I 被拉長(zhǎng)，故產(chǎn)生拉應(yīng)力，桿Ⅱ則相反，產(chǎn)生壓應(yīng)力。到τ4時(shí)(室溫)，鑄件內(nèi)存在殘余應(yīng)力，桿Ⅱ內(nèi)為壓應(yīng)力，桿I 內(nèi)為拉應(yīng)力。

    應(yīng)該指出，合金在高溫時(shí)，特別是在固相線以上，屈服極限很低，鑄件內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力很容易超出屈服極限，發(fā)生塑性變形，使完全卸載時(shí)刻早于τ3。

    對(duì)于圓柱形鑄件，內(nèi)外層冷卻條件不同，開始時(shí)外層冷卻較快，后來則相反。因此，外層相當(dāng)于應(yīng)力框中的細(xì)桿，內(nèi)部相當(dāng)于粗桿。根據(jù)上述分析可知，冷卻到室溫時(shí)，內(nèi)部存在殘余拉應(yīng)力，外層存在殘余壓應(yīng)力。

三、影響鑄造應(yīng)力的因素

    鑄件在凝固和冷卻過程中，所受的應(yīng)力為熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和機(jī)械阻礙應(yīng)力的代數(shù)和。此應(yīng)力值大于金屬在該溫度下的強(qiáng)度，鑄件就會(huì)產(chǎn)生裂紋。

    機(jī)械阻礙應(yīng)力一般在鑄件落砂后即消失，是臨時(shí)應(yīng)力。殘留應(yīng)力往往是熱應(yīng)力和相變應(yīng)力。殘留應(yīng)力與下列因素有關(guān)：

    1、金屬性質(zhì)方面   

    (1) 金屬的彈性模量越大，鑄件中的殘余應(yīng)力就越大。例如，鑄鋼、白口鐵和球鐵的殘余應(yīng)力比灰口鑄鐵的大，原因之一是與金屬的彈性模量有關(guān)(表9—1)。

表9-1 一些鑄造合金的彈性模量

        (2) 鑄件的殘余應(yīng)力與合金的自由線收縮系數(shù)成正比。圖9—2是幾種材料從0—600℃的線膨脹曲線。當(dāng)其它條件相同時(shí)，奧氏體不銹鋼由于α值大，其殘余應(yīng)力比鐵素體不銹鋼的要大50％。

        (3) 合金的導(dǎo)熱系數(shù)直接影響鑄件厚薄兩部分的溫差值。合金鋼比碳鋼具有較低的導(dǎo)熱性能，因此在其它條件相同時(shí)，合金鋼具有較大的殘余應(yīng)力。

    相變對(duì)殘余應(yīng)力的影響表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

    a) 相變引起比容的變化，

    b) 相變熱效應(yīng)改變鑄件各部分的溫度分布。

       2、鑄型性質(zhì)方面

    鑄型蓄熱系數(shù)越大，鑄件的冷卻速度越大，鑄件內(nèi)外的溫差就越大，產(chǎn)生的應(yīng)力則越大。金屬型比砂型容易在鑄件中引起更大的殘余應(yīng)力。

   3、澆注條件

    提高澆注溫度，相當(dāng)于提高鑄型的溫度，延緩了鑄件的冷卻速度，使鑄件各部分溫度趨于均勻，因而可以減小殘余應(yīng)力。

   4、鑄件結(jié)構(gòu)

    鑄件壁厚差越大，冷卻時(shí)厚薄壁溫差就越大，引起的熱應(yīng)力則越大。

四、減小應(yīng)力的途徑

    減小鑄造應(yīng)力的主要途徑是針對(duì)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在制定鑄造工藝時(shí)，盡可能地減小鑄件在冷卻過程中各部分的溫差，提高鑄型和型芯的退讓性，減小機(jī)械阻礙。可采用以下具體措施：

    1、合金方面 

    在零件能滿足工作條件的前提下，選擇彈性模量和收縮系數(shù)小的合金材料。

    2、鑄型方面 

    為了使鑄件在冷卻過程中溫度分布均勻，可在鑄件厚實(shí)部分放置冷鐵，或采用蓄熱系數(shù)大的型砂，也可對(duì)鑄件特別厚大部分進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，即在鑄件冷卻過程中，向事先埋沒在鑄型內(nèi)的冷卻器吹入壓縮空氣或水氣混合物，加快厚大部位的冷卻速度。也可在鑄件冷卻過程中，將鑄件厚壁部位的砂層減薄。

    預(yù)熱鑄型可減小鑄件各部分的溫差。在熔模鑄造中，為了減小鑄造應(yīng)力和裂紋等缺陷，型殼在澆注前被預(yù)熱到600～900℃。

    為了提高鑄型和型芯的退讓性，應(yīng)減小砂型的緊實(shí)度，或在型砂中加入適量的木屑、焦炭等，采用殼型或樹脂砂型，效果尤為顯著。

    采用細(xì)面砂和涂料，可以減小鑄型表面的摩擦力。

    3、澆注條件 

    內(nèi)澆口和冒口的位置應(yīng)有利鑄件各部分溫度的均勻分布，內(nèi)澆口布置要同時(shí)考慮溫度分布均勻和阻力最小的要求。

    鑄件在鑄型內(nèi)要有足夠的冷卻時(shí)間，尤其是采用水爆清砂時(shí)，不能打箱過早，水爆溫度不能過高。但對(duì)一些形狀復(fù)雜的鑄件，為了減小鑄型和型芯的阻力，又不能打箱過遲。

    4、改進(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)

    避免產(chǎn)生較大的應(yīng)力和應(yīng)力集中，鑄件壁厚差要盡可能地小，厚薄壁連結(jié)處要合理地過渡，熱節(jié)要小而分散。

五、消除殘余應(yīng)力的方法

    鑄件中的殘余應(yīng)力可以通過以下一些方法消除。

    1、人工時(shí)效(artificial ageing) 

    去除殘余應(yīng)力的熱處理溫度和保溫時(shí)間應(yīng)根據(jù)合金的性質(zhì)、鑄件結(jié)構(gòu)以及冷卻條件不同而作不同的規(guī)定。但一般規(guī)律是將鑄件加熱到彈塑性狀態(tài)，在此溫度下保溫一定時(shí)間，使應(yīng)力消失，再緩慢冷卻到室溫。

    確定熱處理規(guī)范應(yīng)注意的是，在鑄件升溫和冷卻過程中力求其各處溫度均勻，以免溫差過大產(chǎn)生附加應(yīng)力，造成鑄件變形或冷裂。為此，鑄件升溫，冷卻速度不宜過快，但從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，為了提高生產(chǎn)效率，加熱和冷卻速度均不應(yīng)過小，保溫時(shí)間不易過長(zhǎng)，要根據(jù)具體情況制定既有較高生產(chǎn)效率，又不產(chǎn)生較大附加熱應(yīng)力的最佳熱處理規(guī)范。在確定某合金鑄件的熱處理規(guī)范時(shí)，可用同種合金鑄成許多尺寸相同的環(huán)形試樣，環(huán)上開有同樣尺寸的缺口，并在缺口處楔入楔形鐵，使環(huán)處于應(yīng)力狀態(tài)(圖9—3)，然后將試樣放入加熱爐內(nèi)按不同規(guī)范退火。退火后去掉楔鐵，根據(jù)缺口大小，可知應(yīng)力減小程度。楔鐵能自由地從缺口中取出的規(guī)范為最佳熱處理規(guī)范。

    2、自然時(shí)效(natural ageing) 

        將具有殘余應(yīng)力的鑄件放置在露天場(chǎng)地，經(jīng)數(shù)月至半年以上，應(yīng)力慢慢自然消失，稱此消除應(yīng)力方法為自然時(shí)效。

    鑄件中存在殘余應(yīng)力，必然使晶格發(fā)生畸變，畸變晶格上的原子勢(shì)能較高，極不穩(wěn)定。長(zhǎng)期經(jīng)受不斷變化的溫度作用，原子有足夠時(shí)間和條件發(fā)生能量交換，原子的能量趨于均衡，晶格畸變得以恢復(fù)，鑄件發(fā)生變形，應(yīng)力消除。

    這種方法雖然費(fèi)用低，但最大缺點(diǎn)是時(shí)間太長(zhǎng)，效率低，近代生產(chǎn)很少采用。

    3、共振時(shí)效(resonance ageing) 

    共振時(shí)效的原理是：調(diào)整振動(dòng)頻率，使鑄件在具有共振頻率的激振力作用下，獲得相當(dāng)大的振動(dòng)能量。在共振過程中，交變應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加，鑄件局部屈服，產(chǎn)生塑性變形，使鑄件中的殘余應(yīng)力逐步松弛、消失。同時(shí)也使處在畸變晶格上的原子獲得較大能量，使晶格畸變恢復(fù)，應(yīng)力消失。

    激振器主要由振動(dòng)臺(tái)和控制箱組成。工作時(shí)，把振動(dòng)器牢固地夾在工件的中部或一端(小件則裝在振動(dòng)臺(tái)上)。其主要工藝參數(shù)是，共振頻率、動(dòng)應(yīng)力和激振時(shí)間。

    (1)共振頻率的確定。調(diào)整振動(dòng)器的頻率，振動(dòng)器頻率與工件固有頻率一致時(shí)，振幅達(dá)到最大值，此時(shí)的頻率就是共振頻率。

    (2)動(dòng)應(yīng)力接近35Pa時(shí)能獲得最大效益。

    (3)激振時(shí)間應(yīng)依據(jù)鑄件的原始條件和處理過程中的實(shí)際條件而定。重量大的鑄件處理時(shí)間要長(zhǎng)一些。

    共振時(shí)效具有顯著的優(yōu)越性：時(shí)間短，費(fèi)用低，功率小，一馬力的振動(dòng)器可處理50 t以上鑄件，省能源，無污染，機(jī)構(gòu)輕便，易操作，鑄件表面不產(chǎn)生氧化皮，不損害鑄件尺寸精度．該方法對(duì)箱、框類鑄件效果尤為顯著，但對(duì)盤類和厚大鑄件效果較差，有待進(jìn)一步完善．