基本介紹
- 中文名：鑄造應力
- 外文名：Casting stress
- 相關學科：材料科學
- 相關領域：冶金
- 產生過程：金屬鑄造
- 適用對象：金屬
簡介,分類,相變應力,熱應力,機械應力,鑄造應力消除,鑄造中消除,鑄造後消除,加熱消除,測量方法,鑽孔法,剝層法,壓痕法,X 射線衍射法,超音波法,熱評價法和磁力法,
簡介
鑄造應力是在鑄件全部進入彈性狀態後，由於收縮受阻或收縮不同步而產生的彈性應力。鑄造應力削弱鑄件的結構強度，降低鑄件的承載能力。同時造成鑄件變形，甚至開裂，並引起機械加工後，在使用過程中尺寸發生變化，不能保證加工精度的可靠性和整機的精度。
應力曲線
應力曲線分類
相變應力
相變應力是鑄件在冷卻時發生相變，由於體積變化造成的內應力。對於鋼鐵材料，在彈性狀態溫度範圍內冷卻，相變造成體積膨賬。使鑄件厚壁部分受壓應力，薄壁部分受拉應力。相變應力方向與 熱應力方向相反。一般相變應力很小。
熱應力
鑄件凝固末期即鑄件合金已搭結成枝晶網路骨架開始及隨後的冷卻過程中，鑄件橫截面和厚薄不同之處由於存在著溫度差而產生的鑄造應力，稱之為熱應力。鑄件橫截面內外，厚薄不同之處冷卻速度有差異，致使有溫度差而導致固態收縮速率不致辭而相互制約，從而產生了熱應力。
機械應力
機械應力是鑄件在冷卻收縮時，受到鑄型或型芯的阻礙而引起的，這種應力是拉應力或切應力。當鑄件落砂、清理後，鑄件收縮的障礙去除，機械應力隨之消失。
鑄造應力消除
鑄造中消除
為能減少鑄造熱應力，除了力求鑄件壁厚均勻，結構合理外，從工藝上可採取以下措施減少鑄件冷卻過程中各部分的溫差:
1. 在鑄件厚實部分放置冷鐵或蓄熱係數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鋼管，管內 通壓縮空氣或水進行強制冷卻; 如大型鑄件地坑造型 時，在厚實部分放置冷鐵，並在冷鐵下方再放置冷卻 器進行強制冷卻。
3.鑄件凝固後，在達到彈性狀態以前，去掉鑄件厚實部分的型砂或砂芯，使之暴露於空氣中快速冷卻，甚至吹壓縮空氣或澆水進一步加速其冷卻。
4.將內澆口開在鑄件較薄部分，使鑄件各部分的冷卻速度趨於一致。
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.確定合理的落砂規範，使鑄件在型中冷卻到合適的溫度然後再落砂。
7.對於要求冷卻十分緩慢的鑄件，可以在紅熱狀態下開箱，並儘快裝入預先加熱到500～600°C的保溫爐或燜火坑中，使鑄件各部分溫度趨於一致，然後隨爐緩冷到200～250°C出爐。
鑄造後消除
冷卻後的鑄件若殘留有較大的內應力，或對尺寸穩定性要求較高的鑄件，可用消除內應力的方法處理：
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，使殘留應力鬆弛或大部分消除。雖然不需要任何附加設備，但生產周期長占地面積大，而且消除殘留應力不徹底。
2.加熱時效處理。將鑄件加熱到合金的彈塑性狀態的溫度範圍，保持一段時間，待應力消失後，再緩慢冷卻到常溫。
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，要根據合金性質、鑄件結構和原始冷卻條件的特點來規定。
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，就會產生新的熱應力。如果薄的部分或外層溫度上升較快，而厚的部分或內層溫度上升較慢，則薄處或外層產生新的壓應 力，而厚處或內層產生新的拉應力。這種新的應力與殘留熱應力方向一致。
為了防止因裝爐和加熱過程中產生過大的臨時熱應力而導致鑄件開裂，應限制裝爐溫度和加熱溫度，特別是對於殘留熱應力較大鑄件，裝入冷爐中。如果必須裝入熱爐中，在裝爐時應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，也可能出現裂紋。 這是因為合金強度隨溫度上升而降低的速度大於應 力消失速度的緣故。
2. 時效溫度和保溫時間。時效溫度應在鑄鐵的彈塑性狀態溫度範圍內。溫度過高易發生滲碳體分解，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並消除殘留應力。
3. 冷卻速度和出爐溫度。在冷卻過程中應防止鑄件各部分溫差過大而產生新的殘留熱應力，因此要限制冷卻溫度。在 350°C以上，對於一般鑄件，採用30°C/h左右的冷卻速度；對於精密工具工具機和儀器 鑄件，採用18°C/h左右的冷卻速度。在350°C以下可以採用較快的冷卻速度。一般情況下，加熱時效是在零件粗切削加工以後進行的，這既有利於原有殘留應力的消除，又可以避免時效後的鑄件經粗加工時產生新的殘留應力。時效爐爐溫均勻與否，對消除原殘留應力和不再形成新的殘留應力有很大關係。時效爐的溫度差應儘可能小。
測量方法
鑽孔法
該方法的基本原理是以機械加工或其他方法在有一定殘餘應力的鑄件表面形成一小盲孔。由於鑽孔使孔周圍的殘餘應力部分或全部釋放並造成相應的位移與應變，在盲孔周圍的某些部位利用一定的裝置測量這些位移或應變，再通過力學分析推算出原始存在的殘餘應力的大小。鑽孔法隨著研究的不斷進展，出現了很多種方法，如機械測長法、電阻應變儀法、套用脆性塗層的方法以及用、小顆粒空氣流高速 衝擊試件表面形成小盲孔的氣流磨蝕法等。鑽孔法是工程中最通用的一種殘餘應力測定方法，其操作方便且可靠性好，但測量的反應速度慢、其測量精度受很多因素的影響，如基本力學模型、孔邊的塑性變形、鑽孔附加應變及操作誤差，所以要求測量技術人員要具有紮實的理論知識和操作技術。
剝層法
剝層法是採用銑、研磨、腐蝕、電解腐蝕或電火花剝蝕等方法對已磨削平整的表面進行逐層剝除，從而使表面殘餘應力釋放，引起鑄件產生變形，測量其變形量的大小，再根據彈性力學理論推算出被剝層內的應力。這種方法的優點是可以測定厚度上梯度較大的內應力，主要用於飛機製造中的整體結構件的殘餘應力測試，但存在著一定的局限 性。
壓痕法
壓痕法測定殘餘應力是在工件待測點中心放置軸承鋼球，通過衝擊或靜壓的方法，施加一定的衝擊功或靜壓力，使其在工件表面產生直徑的球冠形壓痕，在壓痕周圍產生一定的疊加應力並形成一定的應變，由壓痕周圍的應變花測得該應變值。根據疊加應力場引起的應變增量來計算原始的殘餘應力。此方法基本上不損壞被測構件，設備簡單，操作方便，適用於應力梯度變化大的場合，是一種有發展前景的殘餘應力測定方法。
X 射線衍射法
構成材料的各晶粒上施加彈性應力時，晶粒內的特定晶面的面間距會發生變化。X射線衍射法的檢測原理為利用X射線對晶體晶格的衍射發生干涉現象。由此可求出晶格的面間距並推算出殘餘應力。在無損測定殘餘應力的方法中X射線衍射法的技術最為成熟，它可以測量出應力的絕對值，但測量的深度較淺。為了測量較深處的殘餘應力可以利用和X射線衍射法原理相同的中子衍射法，其探測精度較好。
超音波法
材料受應力作用時會直接影響彈性波在其內部的傳播速度。超音波法就是利用超音波波速與應力之間的關係測量受應力物體的殘餘應力。 超音波法在鑄件殘餘應力測試中可以測量結構應力和表淬殘餘應力，但其測量精度低只能測試殘餘應力值大的鑄件。最近，將超聲技術和紅外熱像技術相結合的超聲熱像技術腳，可以很靈敏和迅速地對缺陷或結構和應力不均勻的區域進行檢測，充分利用了兩種技術的優點。
熱評價法和磁力法
物體的比熱是隨應力而變化的，如果能夠精確控制注人構件表面能量 並準確測量由此而產生的溫升，就可以得到一條與構件殘餘應力相關的溫度曲線。熱評價殘餘應力測定方法就是利用應力將會引起物體的比熱發生變化的原理而形成的。鐵磁性材料內部存在大小不同的磁疇應力和外加磁場可改變磁疇的大小，從而使物體的尺寸與磁力性能發生變化。根據這種變化可以推測出殘餘磁性與應力的變化關係，這兩種方法的發展前景很好，測量速度快，無輻射危險。
