1、1/54材料成形原理材料成形原理材料成型與控制專業(yè)材料成型與控制專業(yè)第十二章第十二章 應(yīng)力、變形及裂紋應(yīng)力、變形及裂紋 2/54 1、概念：、概念： 內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力：熱加工中，工件因經(jīng)歷：熱加工中，工件因經(jīng)歷加熱與冷卻加熱與冷卻過過程，伴隨熱脹冷縮現(xiàn)象。某些合金發(fā)生程，伴隨熱脹冷縮現(xiàn)象。某些合金發(fā)生相變相變，也引起也引起收縮和膨脹收縮和膨脹。從而使。從而使工件體積和形態(tài)都工件體積和形態(tài)都發(fā)生變化發(fā)生變化。若該。若該變化受阻礙變化受阻礙，便在工件中，便在工件中產(chǎn)生產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)力，稱為內(nèi)應(yīng)力。，稱為內(nèi)應(yīng)力。 鑄造應(yīng)力鑄造應(yīng)力：內(nèi)應(yīng)力在鑄造中稱為鑄造應(yīng)力。：內(nèi)應(yīng)力在鑄造中稱為鑄造應(yīng)力。 瞬時應(yīng)力瞬時應(yīng)力

2、：在加熱冷卻過程中形成的應(yīng)力稱為：在加熱冷卻過程中形成的應(yīng)力稱為瞬時應(yīng)力。瞬時應(yīng)力。 殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力：完全冷卻后殘存在工件中的應(yīng)力，：完全冷卻后殘存在工件中的應(yīng)力，稱為殘余應(yīng)力。稱為殘余應(yīng)力。3/54 2、內(nèi)應(yīng)力對工件或結(jié)構(gòu)的質(zhì)量的影響、內(nèi)應(yīng)力對工件或結(jié)構(gòu)的質(zhì)量的影響 （1）應(yīng)力值超過金屬屈服極限時，工件發(fā)生塑性變）應(yīng)力值超過金屬屈服極限時，工件發(fā)生塑性變形形尺寸、形狀發(fā)生變化；尺寸、形狀發(fā)生變化； （2）應(yīng)力值超過金屬強(qiáng)度極限時，工件產(chǎn)生裂紋；）應(yīng)力值超過金屬強(qiáng)度極限時，工件產(chǎn)生裂紋； （3）應(yīng)力值低于金屬彈性極限時，以殘余應(yīng)力存在。）應(yīng)力值低于金屬彈性極限時，以殘余應(yīng)力存在。 3、殘余應(yīng)

3、力對構(gòu)件承載能力的影響、殘余應(yīng)力對構(gòu)件承載能力的影響 當(dāng)載荷作用方向與構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力方向一致時，在內(nèi)當(dāng)載荷作用方向與構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力方向一致時，在內(nèi)外應(yīng)力共同作用下外應(yīng)力共同作用下超出強(qiáng)度極限超出強(qiáng)度極限導(dǎo)致局部或?qū)е戮植炕蛘w斷裂；整體斷裂； 在腐蝕介質(zhì)中，還會出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。在腐蝕介質(zhì)中，還會出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。4/54第一節(jié)第一節(jié) 內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力 內(nèi)應(yīng)力按產(chǎn)生原因分：內(nèi)應(yīng)力按產(chǎn)生原因分：熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和機(jī)熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和機(jī)械阻礙應(yīng)力械阻礙應(yīng)力。 （一）熱應(yīng)力（一）熱應(yīng)力 工件在受熱及冷卻過程中，由于各部分溫工件在受熱及冷卻過程中，由于各部分溫度不同、冷卻速度不同造成工件上同一時刻各度不同

4、、冷卻速度不同造成工件上同一時刻各部分收縮（或膨脹）量不同，從而導(dǎo)致內(nèi)部彼部分收縮（或膨脹）量不同，從而導(dǎo)致內(nèi)部彼此相互制約而產(chǎn)生應(yīng)力。由于是由熱脹冷縮引此相互制約而產(chǎn)生應(yīng)力。由于是由熱脹冷縮引起，故稱為起，故稱為熱應(yīng)力熱應(yīng)力。5/54例：金屬框例：金屬框 若整體均勻加熱和均勻冷若整體均勻加熱和均勻冷卻，不會產(chǎn)生應(yīng)力；卻，不會產(chǎn)生應(yīng)力； 若只加熱中心桿若只加熱中心桿溫度上溫度上升、發(fā)生伸長升、發(fā)生伸長但會受但會受兩側(cè)桿的阻礙兩側(cè)桿的阻礙受壓縮受壓縮力作用；兩側(cè)桿受中心桿力作用；兩側(cè)桿受中心桿作用作用受拉伸力作用。受拉伸力作用。 若熱應(yīng)力較小若熱應(yīng)力較小，低于材料，低于材料的屈服強(qiáng)度的屈服強(qiáng)度框

5、架內(nèi)不框架內(nèi)不產(chǎn)生塑性變形產(chǎn)生塑性變形溫度均溫度均勻化后勻化后熱應(yīng)力消失。熱應(yīng)力消失。6/54例：金屬框例：金屬框 若熱應(yīng)力較大若熱應(yīng)力較大，超過材料，超過材料的屈服強(qiáng)度的屈服強(qiáng)度中心桿產(chǎn)中心桿產(chǎn)生生壓縮塑性變形壓縮塑性變形。當(dāng)溫度。當(dāng)溫度下降到原始狀態(tài)時，若中下降到原始狀態(tài)時，若中心桿能自由收縮，長度必心桿能自由收縮，長度必然比原來的短，縮短量就然比原來的短，縮短量就是壓縮塑性變形量；實(shí)際是壓縮塑性變形量；實(shí)際上，受兩側(cè)桿阻礙，中心上，受兩側(cè)桿阻礙，中心桿不能自由收縮桿不能自由收縮中心中心桿受拉應(yīng)力、兩側(cè)桿受壓桿受拉應(yīng)力、兩側(cè)桿受壓應(yīng)力應(yīng)力形成新的內(nèi)應(yīng)力形成新的內(nèi)應(yīng)力體系體系殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)

6、力。 7/54 熱應(yīng)力的表達(dá)式：熱應(yīng)力的表達(dá)式： 式中，式中，T溫度增量；溫度增量；E為彈性模量，常量；為彈性模量，常量； 為為線膨脹系數(shù)，常量。線膨脹系數(shù)，常量。TE （二）鑄件內(nèi)的應(yīng)力與變形（二）鑄件內(nèi)的應(yīng)力與變形 鑄件在凝固后的冷卻過程中，由于各部分冷速不鑄件在凝固后的冷卻過程中，由于各部分冷速不一致，引起收縮量不同，因各部分彼此相聯(lián)、互相制一致，引起收縮量不同，因各部分彼此相聯(lián)、互相制約，產(chǎn)生熱應(yīng)力。約，產(chǎn)生熱應(yīng)力。8/54例：厚度不均勻的例：厚度不均勻的T字梁字梁 鑄件由桿鑄件由桿和桿和桿組成，桿組成，桿較厚，桿較厚，桿較薄。較薄。假設(shè)假設(shè)：（1）桿）桿和和桿桿從同一溫度從同一溫度T

7、 TH H開開始冷卻，最后冷卻到始冷卻，最后冷卻到T T0 0；（2）Tk溫度以上，合金塑性狀態(tài)；溫度以上，合金塑性狀態(tài)；Tk溫度以下彈性變形；溫度以下彈性變形；（3）冷卻過程中不發(fā)生固態(tài)相變，）冷卻過程中不發(fā)生固態(tài)相變，且鑄件收縮不受鑄型阻礙；且鑄件收縮不受鑄型阻礙；（4）材料線脹系數(shù)和彈性模量為）材料線脹系數(shù)和彈性模量為常數(shù)，不隨溫度變化。常數(shù)，不隨溫度變化。 9/54桿桿和桿和桿的冷卻曲線的冷卻曲線 桿桿較厚，冷卻前較厚，冷卻前期桿期桿冷速比桿冷速比桿??；小；因兩桿溫度最終相同，因兩桿溫度最終相同，冷卻后期桿冷卻后期桿冷速比桿冷速比桿大。大。 10/54桿桿和桿和桿的收縮率曲線的收縮率曲

8、線 由于鑄件自由收縮由于鑄件自由收縮率與溫度成正比，故該率與溫度成正比，故該曲線外形與冷卻曲線一曲線外形與冷卻曲線一致。虛線致。虛線C C0 0C C1 1C C2 2C C3 3為兩為兩桿聯(lián)在一起收縮后的曲桿聯(lián)在一起收縮后的曲線。線。 11/54 在時間在時間t t0 0t t1 1內(nèi)，內(nèi)，T T、T T T Tk k，桿桿和和桿桿均處于塑性狀態(tài)。均處于塑性狀態(tài)。桿桿被塑性壓縮，被塑性壓縮，桿桿被塑性被塑性拉伸。拉伸。鑄件不產(chǎn)生熱應(yīng)力鑄件不產(chǎn)生熱應(yīng)力。 在時間在時間t t1 1t t2 2內(nèi)，內(nèi)，T T T Tk k、T T T Tk k，桿桿仍處于塑性狀態(tài)，仍處于塑性狀態(tài)，桿桿處于彈性狀態(tài)

9、。鑄件收縮處于彈性狀態(tài)。鑄件收縮由變形困難的由變形困難的桿桿決定，決定，桿桿處于塑性狀態(tài)對處于塑性狀態(tài)對桿桿無阻力。無阻力。鑄件仍不產(chǎn)生熱應(yīng)力鑄件仍不產(chǎn)生熱應(yīng)力。12/54 在時間在時間t t2 2t t3 3內(nèi)，內(nèi)，T T T Tk k、T T T Tk k，兩桿均兩桿均處處于彈性狀態(tài)。但桿于彈性狀態(tài)。但桿溫度溫度高于高于桿桿溫度，桿溫度，桿收縮收縮比比桿桿嚴(yán)重，所以嚴(yán)重，所以桿桿被被彈性拉伸彈性拉伸拉應(yīng)力，拉應(yīng)力，桿桿被彈性壓縮被彈性壓縮壓應(yīng)力壓應(yīng)力。故常溫時存在殘余應(yīng)力。故常溫時存在殘余應(yīng)力。13/54（三）相變應(yīng)力（三）相變應(yīng)力 具有相變的合金，各部分發(fā)生相變具有相變的合金，各部分發(fā)生

10、相變先后及程度先后及程度不同，產(chǎn)生的應(yīng)力稱不同，產(chǎn)生的應(yīng)力稱為為相變應(yīng)力相變應(yīng)力。 分析厚壁鑄件中的相變應(yīng)力時，分兩種情況：分析厚壁鑄件中的相變應(yīng)力時，分兩種情況：（1）在冷卻過程中，當(dāng)鑄件內(nèi)層處于塑性狀態(tài)時，外層已經(jīng)開始發(fā)生）在冷卻過程中，當(dāng)鑄件內(nèi)層處于塑性狀態(tài)時，外層已經(jīng)開始發(fā)生相變。如析出新相體積大于舊相，則鑄件外層發(fā)生膨脹，內(nèi)層塑性變形，相變。如析出新相體積大于舊相，則鑄件外層發(fā)生膨脹，內(nèi)層塑性變形，鑄件鑄件不會產(chǎn)生相變應(yīng)力不會產(chǎn)生相變應(yīng)力。 鑄件繼續(xù)冷卻，內(nèi)層也達(dá)到彈性狀態(tài)，產(chǎn)生體積膨脹的相變鑄件繼續(xù)冷卻，內(nèi)層也達(dá)到彈性狀態(tài)，產(chǎn)生體積膨脹的相變外外層層發(fā)生彈性拉伸發(fā)生彈性拉伸拉應(yīng)力拉

11、應(yīng)力；內(nèi)層內(nèi)層彈性壓縮彈性壓縮壓應(yīng)力壓應(yīng)力。內(nèi)層相變應(yīng)力。內(nèi)層相變應(yīng)力與熱應(yīng)力符號相反（內(nèi)層溫度高，收縮嚴(yán)重，被外層阻礙與熱應(yīng)力符號相反（內(nèi)層溫度高，收縮嚴(yán)重，被外層阻礙拉應(yīng)力）。拉應(yīng)力）。（2）外層發(fā)生相變時，內(nèi)層處于彈性狀態(tài)，但內(nèi)層不發(fā)生相變）外層發(fā)生相變時，內(nèi)層處于彈性狀態(tài)，但內(nèi)層不發(fā)生相變相相當(dāng)于表面淬火處理。當(dāng)于表面淬火處理。外層外層發(fā)生相變產(chǎn)生體積膨脹發(fā)生相變產(chǎn)生體積膨脹受內(nèi)層制約受內(nèi)層制約壓壓應(yīng)力應(yīng)力，內(nèi)層內(nèi)層拉應(yīng)力拉應(yīng)力。內(nèi)層因外層相變產(chǎn)生的應(yīng)力與熱應(yīng)力符號相同。內(nèi)層因外層相變產(chǎn)生的應(yīng)力與熱應(yīng)力符號相同（外層激冷，溫度低，內(nèi)層相對溫度高，繼續(xù)冷卻，內(nèi)層拉應(yīng)力）。（外層激冷，溫度

12、低，內(nèi)層相對溫度高，繼續(xù)冷卻，內(nèi)層拉應(yīng)力）。14/54（四）機(jī)械阻礙應(yīng)力（四）機(jī)械阻礙應(yīng)力 工件冷卻過程中產(chǎn)生的收縮，受到外界的阻礙而產(chǎn)生的工件冷卻過程中產(chǎn)生的收縮，受到外界的阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為應(yīng)力稱為機(jī)械阻礙應(yīng)力機(jī)械阻礙應(yīng)力。 1、 機(jī)械阻礙的來源：機(jī)械阻礙的來源： （1）鑄型和型芯有較）鑄型和型芯有較高的強(qiáng)度高的強(qiáng)度和較和較低的退讓性低的退讓性。 （2）砂箱內(nèi)的）砂箱內(nèi)的箱檔箱檔和型芯內(nèi)的和型芯內(nèi)的芯骨芯骨。 （3）設(shè)置在鑄件上的）設(shè)置在鑄件上的拉桿、防裂肋拉桿、防裂肋、分型面上的鑄件、分型面上的鑄件飛飛邊邊。 （4）澆冒口系統(tǒng)澆冒口系統(tǒng)以及鑄件上的一些以及鑄件上的一些突出部分突出部分。

13、2、機(jī)械阻礙應(yīng)力的影響：、機(jī)械阻礙應(yīng)力的影響： （1）機(jī)械阻礙應(yīng)力可使工件產(chǎn)生拉伸或剪切應(yīng)力。）機(jī)械阻礙應(yīng)力可使工件產(chǎn)生拉伸或剪切應(yīng)力。 （2）若應(yīng)力是在彈性范圍內(nèi)，當(dāng)阻礙消除后，則應(yīng)力消）若應(yīng)力是在彈性范圍內(nèi)，當(dāng)阻礙消除后，則應(yīng)力消失。失。 （3）但是當(dāng)阻礙應(yīng)力與其它應(yīng)力同時作用且方向一致時，）但是當(dāng)阻礙應(yīng)力與其它應(yīng)力同時作用且方向一致時，則會促使內(nèi)應(yīng)力加劇，甚至導(dǎo)致工件中出現(xiàn)裂紋。則會促使內(nèi)應(yīng)力加劇，甚至導(dǎo)致工件中出現(xiàn)裂紋。15/54 綜上所述，綜上所述，鑄件內(nèi)的應(yīng)力是熱應(yīng)力、鑄件內(nèi)的應(yīng)力是熱應(yīng)力、相變應(yīng)力及機(jī)械阻礙應(yīng)力的總和相變應(yīng)力及機(jī)械阻礙應(yīng)力的總和，在冷卻，在冷卻過程中的某一瞬時，當(dāng)

14、局部應(yīng)力的總和大過程中的某一瞬時，當(dāng)局部應(yīng)力的總和大于金屬在該溫度下的強(qiáng)度極限時，工件就于金屬在該溫度下的強(qiáng)度極限時，工件就會產(chǎn)生裂紋。會產(chǎn)生裂紋。 工件中的殘余應(yīng)力并非是永久性的。工件中的殘余應(yīng)力并非是永久性的。經(jīng)過熱處理，即在一定溫度下經(jīng)過一定時經(jīng)過熱處理，即在一定溫度下經(jīng)過一定時間后，工件內(nèi)各部分應(yīng)力會重新分配或消間后，工件內(nèi)各部分應(yīng)力會重新分配或消失。失。16/54三、減小或消除應(yīng)力的途徑三、減小或消除應(yīng)力的途徑 （一）合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（一）合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1、鑄件的壁厚差要盡量減??；、鑄件的壁厚差要盡量減?。?2、厚薄壁連接處要圓滑過渡。、厚薄壁連接處要圓滑過渡。 3、鑄件厚壁處砂層要

15、減?。哟罄渌伲?，或放置冷鐵；、鑄件厚壁處砂層要減?。哟罄渌伲蚍胖美滂F； 4、合理設(shè)計(jì)澆冒口，盡量使鑄件各部分溫度均勻。、合理設(shè)計(jì)澆冒口，盡量使鑄件各部分溫度均勻。17/54 （二）選擇合理的工藝及采用必要的措施（二）選擇合理的工藝及采用必要的措施 1 1、澆注鑄件時，在滿足使用要求的前提下，應(yīng)、澆注鑄件時，在滿足使用要求的前提下，應(yīng)選擇彈選擇彈性模量和收縮系數(shù)小的材料性模量和收縮系數(shù)小的材料； 2 2、提高鑄型的預(yù)熱溫度提高鑄型的預(yù)熱溫度有利于減小鑄件各部分的溫差；有利于減小鑄件各部分的溫差； 3 3、采用較細(xì)的面砂和涂料采用較細(xì)的面砂和涂料，可減小鑄件表面的摩擦阻，可減小鑄件表面的摩

16、擦阻力；力； 4 4、控制鑄型和型芯的緊實(shí)度、加木屑、焦炭等控制鑄型和型芯的緊實(shí)度、加木屑、焦炭等可提高可提高鑄型及型芯的退讓性；鑄型及型芯的退讓性； 5、控制鑄件在型內(nèi)的冷卻時間控制鑄件在型內(nèi)的冷卻時間，不能打箱過早，但為，不能打箱過早，但為了減小鑄型和型芯的阻力，也不能打箱過遲。了減小鑄型和型芯的阻力，也不能打箱過遲。 18/54 ( (三三) )殘余應(yīng)力的消除殘余應(yīng)力的消除 1 1熱處理法熱處理法最常用的方法最常用的方法 將工件加熱到塑性狀態(tài)的溫度將工件加熱到塑性狀態(tài)的溫度，并在此溫度下保，并在此溫度下保溫一段時間，利用蠕變產(chǎn)生新的塑性變形，使應(yīng)力消溫一段時間，利用蠕變產(chǎn)生新的塑性變形，

17、使應(yīng)力消除。再緩慢冷卻，使厚、薄部位的溫度均勻，而不重除。再緩慢冷卻，使厚、薄部位的溫度均勻，而不重新出現(xiàn)應(yīng)力。新出現(xiàn)應(yīng)力。 加熱溫度和保溫時間，需根據(jù)材料的性質(zhì)、工件加熱溫度和保溫時間，需根據(jù)材料的性質(zhì)、工件的結(jié)構(gòu)以及冷卻條件而定。的結(jié)構(gòu)以及冷卻條件而定。19/54 2 2自然時效法自然時效法 將有殘余應(yīng)力的鑄件放置在將有殘余應(yīng)力的鑄件放置在露天場地，經(jīng)數(shù)月乃至露天場地，經(jīng)數(shù)月乃至半年時間以上半年時間以上，應(yīng)力慢慢自然消失。，應(yīng)力慢慢自然消失。 特點(diǎn)：長時間受不斷變化溫度作用，晶格畸變恢復(fù)，特點(diǎn)：長時間受不斷變化溫度作用，晶格畸變恢復(fù)，鑄件變形鑄件變形，應(yīng)力消除。，應(yīng)力消除。費(fèi)用低，費(fèi)用低，

18、但時間太長，但時間太長，效率低效率低，近代近代很少采用很少采用。 3 3共振法共振法 將鑄件將鑄件在共振條件下振動在共振條件下振動10-15min10-15min，以達(dá)到消除鑄，以達(dá)到消除鑄件中殘余應(yīng)力的目的。件中殘余應(yīng)力的目的。 該法與熱處理法相比，該法與熱處理法相比，設(shè)備費(fèi)用低設(shè)備費(fèi)用低，花費(fèi)的，花費(fèi)的時間少時間少，易于操作易于操作，而且，而且無氧化皮無氧化皮，不受工件大小尺寸的限制不受工件大小尺寸的限制，也也不會由于熱處理規(guī)范不當(dāng)而產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力或裂紋不會由于熱處理規(guī)范不當(dāng)而產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力或裂紋。20/54第二節(jié)第二節(jié) 變形變形 當(dāng)工件的形狀尺寸發(fā)生變化與圖樣不符合時，說明工當(dāng)工件的形狀

19、尺寸發(fā)生變化與圖樣不符合時，說明工件發(fā)生了變形。若為鑄造所致，被稱為件發(fā)生了變形。若為鑄造所致，被稱為鑄造變形鑄造變形。 當(dāng)工件在某一溫度下所承受的應(yīng)力大于該溫度下材料當(dāng)工件在某一溫度下所承受的應(yīng)力大于該溫度下材料的屈服強(qiáng)度時，工件就會發(fā)生變形，以減小內(nèi)應(yīng)力，趨于的屈服強(qiáng)度時，工件就會發(fā)生變形，以減小內(nèi)應(yīng)力，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。等待工件完全冷卻后，遺留下的變形被稱為穩(wěn)定狀態(tài)。等待工件完全冷卻后，遺留下的變形被稱為殘殘余變形余變形。 一、變形的種類一、變形的種類 ( (一一) )整體變形整體變形 整體變形是指整個結(jié)構(gòu)形狀和尺寸發(fā)生變化，它是整體變形是指整個結(jié)構(gòu)形狀和尺寸發(fā)生變化，它是由各個方向收縮而引

20、起的。由各個方向收縮而引起的。21/54例：厚薄不均的例：厚薄不均的T字型梁的彎曲變形字型梁的彎曲變形 因壁薄部分的冷因壁薄部分的冷卻較快，壁厚部分的卻較快，壁厚部分的冷卻較慢，處于不穩(wěn)冷卻較慢，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。達(dá)到平衡態(tài)定狀態(tài)。達(dá)到平衡態(tài)時，導(dǎo)致變形的方向時，導(dǎo)致變形的方向?yàn)楹竦牟糠窒騼?nèi)凹，為厚的部分向內(nèi)凹，薄的部分向外凸，如薄的部分向外凸，如圖中虛線所示。圖中虛線所示。 22/54 上圖中上圖中I I桿厚，桿厚，桿?。簵U?。寒?dāng)兩者溫度都低于彈當(dāng)兩者溫度都低于彈性溫度時，由于性溫度時，由于桿桿比比I I桿先冷，所以，當(dāng)桿先冷，所以，當(dāng)I I桿冷至室溫后，桿冷至室溫后，I I桿桿的收縮受到的收

21、縮受到桿的限桿的限制，而承受拉伸應(yīng)力，制，而承受拉伸應(yīng)力，桿承受壓縮應(yīng)力。桿承受壓縮應(yīng)力。故在長度方向，故在長度方向，I I桿向桿向下凹，而桿下凹，而桿向下凸。向下凸。23/54 下圖中下圖中I I桿薄，桿薄，桿厚：桿厚：其原理如上述，只是其原理如上述，只是I I桿與桿與桿的關(guān)系相對換。桿的關(guān)系相對換。從而，從而，I I桿受到壓應(yīng)力，桿受到壓應(yīng)力，向上凸，向上凸， 桿受到拉桿受到拉應(yīng)力，向上凹。應(yīng)力，向上凹。24/54例：機(jī)床床身的變形例：機(jī)床床身的變形 由于機(jī)床床身的導(dǎo)軌面較厚，而側(cè)壁較薄，截由于機(jī)床床身的導(dǎo)軌面較厚，而側(cè)壁較薄，截面形態(tài)如圖面形態(tài)如圖a上圖的狀態(tài)。所以，其變形方向是向上圖的

22、狀態(tài)。所以，其變形方向是向下凹。下凹。25/54例：厚薄均勻的平板鑄件例：厚薄均勻的平板鑄件 由于平板中心部分比四周冷由于平板中心部分比四周冷卻得慢，以致卻得慢，以致中心部分產(chǎn)生中心部分產(chǎn)生拉應(yīng)力拉應(yīng)力( (四周約束，無法收四周約束，無法收縮縮) )，而，而四周產(chǎn)生壓應(yīng)力四周產(chǎn)生壓應(yīng)力（因（因受向心力而互相擠壓）。受向心力而互相擠壓）。 當(dāng)平板上下兩面存在溫差時，當(dāng)平板上下兩面存在溫差時，就可能產(chǎn)生彎曲變形。通常就可能產(chǎn)生彎曲變形。通常上面的導(dǎo)熱差，冷到室溫的上面的導(dǎo)熱差，冷到室溫的時間較長（收縮時下面不隨時間較長（收縮時下面不隨著變化），因此平板的變形著變化），因此平板的變形呈向下凹（從上邊

23、看）的形呈向下凹（從上邊看）的形態(tài)。態(tài)。26/54例：帶輪鑄件的波浪變形例：帶輪鑄件的波浪變形 ( (二二) )局部變形局部變形 局部變形是指結(jié)構(gòu)的某些部局部變形是指結(jié)構(gòu)的某些部分發(fā)生的變形。分發(fā)生的變形。 帶輪的特點(diǎn)是帶輪的特點(diǎn)是輪緣和輪輻比輪緣和輪輻比輪轂薄輪轂薄，當(dāng)輪轂進(jìn)入彈性狀態(tài)時，當(dāng)輪轂進(jìn)入彈性狀態(tài)時，其收縮受到輪緣和輪輻的阻礙，其收縮受到輪緣和輪輻的阻礙，所以所以輪轂受拉應(yīng)力，輪緣受壓應(yīng)輪轂受拉應(yīng)力，輪緣受壓應(yīng)力，輪輻亦受拉應(yīng)力。力，輪輻亦受拉應(yīng)力。27/54二、影響變形的因素二、影響變形的因素 (一一)金屬材料的熱物理性能金屬材料的熱物理性能 金屬材料的熱物理性能對變形有一定的影

24、響。金屬材料的熱物理性能對變形有一定的影響。 1、材料的、材料的線脹系數(shù)越大，則產(chǎn)生的塑性變形越大線脹系數(shù)越大，則產(chǎn)生的塑性變形越大。冷。冷卻后，縱向和橫向的收縮也越大。卻后，縱向和橫向的收縮也越大。如：不銹鋼的線脹系數(shù)比低碳鋼大，因而變形也大。如：不銹鋼的線脹系數(shù)比低碳鋼大，因而變形也大。 2、導(dǎo)熱性好的金屬導(dǎo)熱性好的金屬，如鋁及其合金，因其線脹系數(shù)大，如鋁及其合金，因其線脹系數(shù)大，且在高溫時的強(qiáng)度較低，且在高溫時的強(qiáng)度較低，變形也大變形也大。28/54 ( (二二) )工藝因素工藝因素 在鑄造中，用來制作木模的在鑄造中，用來制作木模的木料木料未干燥，或重新未干燥，或重新吸收水分，以致吸收水

25、分，以致木模產(chǎn)生變形木模產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致砂型和鑄件，從而導(dǎo)致砂型和鑄件產(chǎn)生變形。產(chǎn)生變形。 模型的剛度不足模型的剛度不足或強(qiáng)度不夠、模型放置在不平的或強(qiáng)度不夠、模型放置在不平的底板上、上下砂型夾緊不良等均能導(dǎo)致鑄件的變形。底板上、上下砂型夾緊不良等均能導(dǎo)致鑄件的變形。 29/54三、防止或減少變形的方法三、防止或減少變形的方法 ( (一一) )結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅需要考結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅需要考慮強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，而慮強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，而且還需要考慮制造工藝。且還需要考慮制造工藝。 在鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以采用局部加厚、設(shè)置拉可以采用局部加厚、設(shè)置拉肋等

26、方法來減小鑄件變形。肋等方法來減小鑄件變形。如帶輪的輪緣厚度比輪轂薄，如帶輪的輪緣厚度比輪轂薄，冷卻后容易向內(nèi)凹，導(dǎo)致加冷卻后容易向內(nèi)凹，導(dǎo)致加工余量不足。為此可以在輪工余量不足。為此可以在輪緣與輪轂連接處的外圓，進(jìn)緣與輪轂連接處的外圓，進(jìn)行局部加厚。行局部加厚。30/54 鑄件的法蘭部分因鑄件的法蘭部分因收縮受到砂芯或砂型的收縮受到砂芯或砂型的阻礙而變形，因而可以阻礙而變形，因而可以在該處在該處設(shè)置拉肋設(shè)置拉肋，阻止，阻止法蘭變形。法蘭變形。 31/54 ( (二二) )工藝方面工藝方面 1 1、反變形法、反變形法最常用的方法最常用的方法 反變形法就是根據(jù)結(jié)構(gòu)件變形的情況，反變形法就是根據(jù)結(jié)

27、構(gòu)件變形的情況，預(yù)先給出預(yù)先給出一個方向相反、大小相等的變形一個方向相反、大小相等的變形，用來抵消結(jié)構(gòu)件在，用來抵消結(jié)構(gòu)件在加工過程中產(chǎn)生的變形，使加工后的結(jié)構(gòu)件符合設(shè)計(jì)加工過程中產(chǎn)生的變形，使加工后的結(jié)構(gòu)件符合設(shè)計(jì)要求。要求。 反變形的尺寸、形態(tài)應(yīng)根據(jù)實(shí)測或經(jīng)驗(yàn)來確定。反變形的尺寸、形態(tài)應(yīng)根據(jù)實(shí)測或經(jīng)驗(yàn)來確定。 機(jī)床床身的鑄造中，為防止機(jī)床床身的鑄造中，為防止其變形，采用如圖所示的反變形，其變形，采用如圖所示的反變形，床身的模樣要分成兩段，造型時床身的模樣要分成兩段，造型時導(dǎo)軌面向下，澆注出的鑄件如圖導(dǎo)軌面向下，澆注出的鑄件如圖中實(shí)線所示。中實(shí)線所示。32/54 2、合理的工藝、合理的工藝

28、（1 1）加壓鐵）加壓鐵 澆注前，可將壓鐵放在澆注前，可將壓鐵放在砂箱上，以防止鑄件的彎曲砂箱上，以防止鑄件的彎曲變形。變形。 原理：砂箱內(nèi)鐵液充填原理：砂箱內(nèi)鐵液充填時出現(xiàn)浮力，將上砂箱上抬，時出現(xiàn)浮力，將上砂箱上抬，壓鐵通過鐵墊對浮力產(chǎn)生壓壓鐵通過鐵墊對浮力產(chǎn)生壓力。這樣，力。這樣，既可避免砂箱上既可避免砂箱上抬時跑鐵液，同時也能防止抬時跑鐵液，同時也能防止鑄件的變形鑄件的變形。33/54 （2 2）控制鑄件出型時間）控制鑄件出型時間 若若出型過早出型過早，由于溫度，由于溫度高，遇風(fēng)后各部分的高，遇風(fēng)后各部分的溫差會溫差會加劇加劇，而導(dǎo)致，而導(dǎo)致變形量增加變形量增加。若鑄件早出型后立即退火

29、，若鑄件早出型后立即退火，使鑄件緩慢冷卻，就可減小使鑄件緩慢冷卻，就可減小變形量。變形量。 （3 3）對于半圓形的鑄件可將）對于半圓形的鑄件可將兩個鑄件連在一起澆注，使兩個鑄件連在一起澆注，使柔性結(jié)構(gòu)變?yōu)閯傂越Y(jié)構(gòu)柔性結(jié)構(gòu)變?yōu)閯傂越Y(jié)構(gòu)，以，以防止鑄件的變形。防止鑄件的變形。 34/54第三節(jié)第三節(jié) 裂紋裂紋 一、裂紋的種類一、裂紋的種類 在鑄件中，可能出現(xiàn)各種各樣的裂紋。在鑄件中，可能出現(xiàn)各種各樣的裂紋。 根據(jù)裂紋出現(xiàn)的根據(jù)裂紋出現(xiàn)的位置位置可分為可分為表面裂紋表面裂紋和和內(nèi)部裂紋內(nèi)部裂紋； 按裂紋出現(xiàn)的按裂紋出現(xiàn)的溫度范圍溫度范圍可分為可分為熱裂紋熱裂紋和和冷裂紋冷裂紋等。等。 二、熱裂紋二、

30、熱裂紋 液態(tài)成形過程中，在高溫階段產(chǎn)生的開裂現(xiàn)象，液態(tài)成形過程中，在高溫階段產(chǎn)生的開裂現(xiàn)象，多在固相線附近發(fā)生，故稱為多在固相線附近發(fā)生，故稱為“熱裂紋熱裂紋”。 35/54 ( (一一) )熱裂紋的形成條件及其特征熱裂紋的形成條件及其特征 1 1熱裂紋的形成條件熱裂紋的形成條件 熱裂紋具有高溫?cái)嗔训男再|(zhì)。熱裂紋具有高溫?cái)嗔训男再|(zhì)。 條件條件：高溫階段晶間的延性或塑性變：高溫階段晶間的延性或塑性變形能力不足以承受當(dāng)時應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變形能力不足以承受當(dāng)時應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變量。量。 在金屬凝固過程中，存在一個在金屬凝固過程中，存在一個“脆性脆性溫度區(qū)溫度區(qū)”，它具有最低的延性，受力時易，它具有最低的

31、延性，受力時易于產(chǎn)生熱裂紋。于產(chǎn)生熱裂紋。36/54 2 2熱裂紋的特征熱裂紋的特征（1 1）裂口外觀）裂口外觀形狀曲折而不規(guī)則形狀曲折而不規(guī)則；（2 2）裂口有明顯的）裂口有明顯的氧化色彩氧化色彩；（3 3）裂口沿）裂口沿晶粒邊界晶粒邊界通過。通過。37/54(二二)熱裂紋的形成機(jī)理熱裂紋的形成機(jī)理 1、強(qiáng)度理論、強(qiáng)度理論 金屬在固相線上下溫度范圍內(nèi)延伸率極低，金屬在固相線上下溫度范圍內(nèi)延伸率極低，金屬呈脆性斷裂，把該溫度區(qū)間定義為金屬呈脆性斷裂，把該溫度區(qū)間定義為“脆性脆性溫度區(qū)溫度區(qū)”。熱裂就是在脆性區(qū)內(nèi)形成的熱裂就是在脆性區(qū)內(nèi)形成的。脆性。脆性區(qū)愈大，金屬處于低塑性時間愈長，熱裂越易區(qū)

32、愈大，金屬處于低塑性時間愈長，熱裂越易形成。形成。 鑄件凝固時如能自由收縮，不受外部和內(nèi)鑄件凝固時如能自由收縮，不受外部和內(nèi)部阻力，即使強(qiáng)度低也不會形成熱裂。部阻力，即使強(qiáng)度低也不會形成熱裂。 鑄件凝固收縮時往往鑄件凝固收縮時往往受各種阻力受各種阻力，使鑄件，使鑄件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。如果應(yīng)力超過金屬在該溫度的內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。如果應(yīng)力超過金屬在該溫度的強(qiáng)度，即產(chǎn)生熱裂。強(qiáng)度，即產(chǎn)生熱裂。38/54 2、液膜理論、液膜理論 當(dāng)鑄件凝固到固相當(dāng)鑄件凝固到固相線附近時，晶體周圍還線附近時，晶體周圍還有少量未凝固的液體，有少量未凝固的液體，構(gòu)成一層液膜。構(gòu)成一層液膜。 當(dāng)鑄件當(dāng)鑄件收縮收縮因某種因某種原因原因

33、受到阻礙時，晶體受到阻礙時，晶體和晶間液膜內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)和晶間液膜內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力力。 當(dāng)應(yīng)力足夠大時，當(dāng)應(yīng)力足夠大時，液膜就會開裂，形成晶液膜就會開裂，形成晶間裂縫。間裂縫。39/54( (三三) )影響熱裂紋的因素影響熱裂紋的因素 1 1、冶金因素對熱裂紋的影響、冶金因素對熱裂紋的影響 冶金因素：（冶金因素：（1 1）合金的化學(xué)成分；（合金的化學(xué)成分；（2 2）凝固組）凝固組織形態(tài)。織形態(tài)。 (1)(1)化學(xué)成分化學(xué)成分 1)1)合金元素對凝固溫度區(qū)的影響合金元素對凝固溫度區(qū)的影響 合金元素既能影響凝固溫度區(qū)的大小，也能影響合金元素既能影響凝固溫度區(qū)的大小，也能影響合金在脆性溫度區(qū)中的塑性。合金在

34、脆性溫度區(qū)中的塑性。40/54 裂紋傾向的大小是裂紋傾向的大小是隨凝固溫度區(qū)的增大而隨凝固溫度區(qū)的增大而增加。增加。 隨著合金元素的增隨著合金元素的增加，加，凝固溫度區(qū)增大，凝固溫度區(qū)增大，同時脆性溫度區(qū)的范圍同時脆性溫度區(qū)的范圍也增大也增大（陰影部分），（陰影部分），因此裂紋的傾向也隨之因此裂紋的傾向也隨之增大。增大。41/54 可利用合金的相圖來分析鑄件的凝固裂紋的傾向，可利用合金的相圖來分析鑄件的凝固裂紋的傾向，圖中虛線為裂紋傾向的變化曲線。圖中虛線為裂紋傾向的變化曲線。 可見，可見，合金的凝固溫度區(qū)越大，凝固裂紋的傾向就合金的凝固溫度區(qū)越大，凝固裂紋的傾向就越大越大。42/54 2)2

35、)雜質(zhì)元素的偏析以及偏析產(chǎn)物的形態(tài)對熱裂紋的影雜質(zhì)元素的偏析以及偏析產(chǎn)物的形態(tài)對熱裂紋的影響響 雜質(zhì)元素硫和磷在鋼中能形成多種雜質(zhì)元素硫和磷在鋼中能形成多種低熔合金低熔合金，即，即使微量存在，也會使使微量存在，也會使凝固溫度區(qū)大為增加凝固溫度區(qū)大為增加，在合金凝，在合金凝固過程中極易形成液態(tài)薄膜，顯著增加裂紋傾向。固過程中極易形成液態(tài)薄膜，顯著增加裂紋傾向。 硫和磷在鋼中還能硫和磷在鋼中還能引起偏析引起偏析，富集在晶界，增加，富集在晶界，增加裂紋傾向。裂紋傾向。 所以在鑄鋼件中，必須限制所以在鑄鋼件中，必須限制S S、P P的有害作用。的有害作用。 （2 2）凝固組織形態(tài)對熱裂紋的影響）凝固組

36、織形態(tài)對熱裂紋的影響 對于奧氏體鋼，凝固后晶粒的大小、形態(tài)和方向?qū)τ趭W氏體鋼，凝固后晶粒的大小、形態(tài)和方向以及析出的初生相等對抗裂性都有很大影響。以及析出的初生相等對抗裂性都有很大影響。 晶粒越粗大，方向性越明顯，產(chǎn)生熱裂紋傾向越晶粒越粗大，方向性越明顯，產(chǎn)生熱裂紋傾向越大大。43/54 2 2、液態(tài)成形工藝因素的影響、液態(tài)成形工藝因素的影響 （1 1）鑄型性質(zhì)的影響）鑄型性質(zhì)的影響 鑄件的凝固收縮受到鑄型和型芯的阻力，鑄件的凝固收縮受到鑄型和型芯的阻力，鑄型和型芯退讓性好，鑄件受到的阻力小，形鑄型和型芯退讓性好，鑄件受到的阻力小，形成熱裂的可能性也小。成熱裂的可能性也小。 濕型比干型的退讓性

37、好，不易產(chǎn)生熱裂。濕型比干型的退讓性好，不易產(chǎn)生熱裂。 鑄型或型芯的退讓性與采用的鑄型或型芯的退讓性與采用的粘結(jié)劑粘結(jié)劑有關(guān)。有關(guān)。44/54 鑄件鑄件表面粘砂表面粘砂將影響鑄件與鑄型表面的將影響鑄件與鑄型表面的相對相對運(yùn)動運(yùn)動，因而也會影響鑄件收縮，并促使熱裂的，因而也會影響鑄件收縮，并促使熱裂的形成。形成。 當(dāng)采用金屬型澆注大的鑄鋁件時，由于鑄當(dāng)采用金屬型澆注大的鑄鋁件時，由于鑄件的表面冷卻很快，會形成一層凝固層。同時件的表面冷卻很快，會形成一層凝固層。同時由于收縮使鑄件表面離開了鑄型壁，在金屬液由于收縮使鑄件表面離開了鑄型壁，在金屬液體靜壓力的作用下，因體靜壓力的作用下，因凝固層強(qiáng)度不足

38、凝固層強(qiáng)度不足也會形也會形成熱裂。成熱裂。提高金屬型的溫度提高金屬型的溫度可以減小熱裂傾向。可以減小熱裂傾向。45/54 （2 2）澆注條件的影響）澆注條件的影響 1 1）澆注溫度澆注溫度應(yīng)根據(jù)鑄件的壁厚來選擇。應(yīng)根據(jù)鑄件的壁厚來選擇。 薄壁鑄件要求較高的澆注溫度薄壁鑄件要求較高的澆注溫度，以利于充，以利于充填，并使凝固速度緩慢均勻，從而減小熱裂傾填，并使凝固速度緩慢均勻，從而減小熱裂傾向。向。 厚壁鑄件厚壁鑄件，澆注溫度過高澆注溫度過高會增加縮孔容積，會增加縮孔容積，減緩冷卻速度，并使初晶粗化，形成偏析，減緩冷卻速度，并使初晶粗化，形成偏析，易易形成熱裂形成熱裂。 此外，澆注溫度過高易引起鑄

39、件此外，澆注溫度過高易引起鑄件粘砂粘砂或與或與金屬型壁粘合，阻礙鑄件收縮，引起熱裂。金屬型壁粘合，阻礙鑄件收縮，引起熱裂。46/54 2 2）澆注速度對熱裂也有影響澆注速度對熱裂也有影響。 澆注薄壁件時，希望型腔內(nèi)液面上升速度澆注薄壁件時，希望型腔內(nèi)液面上升速度較快，以防止局部過熱。而對于厚壁鑄件則要較快，以防止局部過熱。而對于厚壁鑄件則要求澆注速度盡可能慢一些。求澆注速度盡可能慢一些。 3 3）澆注時）澆注時金屬引入鑄型的方法金屬引入鑄型的方法對熱裂也對熱裂也有不可忽視的影響。有不可忽視的影響。 一般內(nèi)澆道附近的溫度較高，冷卻較慢，一般內(nèi)澆道附近的溫度較高，冷卻較慢，此處為薄弱環(huán)節(jié)。如能此處

40、為薄弱環(huán)節(jié)。如能將內(nèi)澆道分散在幾處引將內(nèi)澆道分散在幾處引入鑄型入鑄型，使收縮應(yīng)力分散，也可以減少熱裂傾，使收縮應(yīng)力分散，也可以減少熱裂傾向。向。47/54 （3 3）鑄件結(jié)構(gòu)的影響）鑄件結(jié)構(gòu)的影響 1 1）當(dāng)）當(dāng)鑄件的厚薄不均鑄件的厚薄不均時，冷卻速度也不時，冷卻速度也不同，薄的部分先凝固，在降到較低溫度時具有同，薄的部分先凝固，在降到較低溫度時具有較高的強(qiáng)度。當(dāng)厚的部分凝固時，收縮較高的強(qiáng)度。當(dāng)厚的部分凝固時，收縮應(yīng)力易應(yīng)力易集中集中于此處，易出現(xiàn)裂紋。于此處，易出現(xiàn)裂紋。 2 2）鑄型壁）鑄型壁十字交接十字交接時，會在該處形成時，會在該處形成熱熱節(jié)節(jié)，并產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，易產(chǎn)生熱裂。，并產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，易產(chǎn)生熱裂。 3 3）澆道開設(shè)不當(dāng)澆道開設(shè)不當(dāng)，也會對鑄件的收縮產(chǎn)，也會對鑄件的收縮產(chǎn)生生阻礙阻礙作用，增大鑄件的收縮應(yīng)力，致使鑄件作用，增大鑄件的收縮應(yīng)力，致使鑄件開裂。大型鑄鋼件尤應(yīng)注意。開裂。大型鑄