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材料成形工艺原理;第十三章 铸造应力
?
第一节 铸造应力
? 第二节 热裂
? 第三节?冷裂
;第九章?? 铸造应力Casting Stress
第一节?? 铸造应力
一、铸造应力的定义、分类和危害??
?1、定义:???
铸造应力(casting stress):金属在凝固和冷却过程中体积变化受到外界或其本身的制约,变形受阻,而产生的应力。;2、分类:
??? ?A. 按应力形成的原因分:
(1) 热应力(thermal stress):
铸件各部分厚薄不同, 在凝固和凝固后的冷却过程中,冷却速度不同,造成同一时刻各部分收缩量不一致,铸件各部分彼此制约,产生的应力。;(2) 相变应力(phase transformation stress):
固态发生相变的合金,由于铸件各部分冷却条件不同,它们到达相变温度的时刻不同,且相变的程度也不同而产生的应力。
(3)机械阻碍应力(mechanism hindered stress):
铸件收缩受到铸型、型芯、箱挡和芯骨等机械阻碍所产生的应力。;B. 按应力存在的时间分:
(1)临时应力(temporary stress):产生应力的原因消失,应力便消失。
(2)残余应力(residual stress):产生应力的原因消除后,仍然存在的应力。;3、应力的危害:
??? 铸造应力和铸件的变形对铸件质量的危害很大。铸造应力是铸件在生产、存放、加工以及使用过程中产生变形和裂纹的主要原因,它降低铸件的使用性能。; 有残余应力的铸件,放置日久或经机械加工后会变形,使机件失去精度。产生变形的铸件可能因加工余量不足而报废,为此需要加大加工余量。
在大批量流水生产时,变形的铸件在机械加工时往往因放不进夹具而报废。
此外,挠曲变形还降低铸件的尺寸精度,尤其对精度要求较高的铸件,防止产生变形尤为重要。;;假设条件:
1) 金属液充满铸型后,立即停止流动,杆I和杆Ⅱ从同一温度tL开始冷却,最后冷却到室温t0。
2) 合金线收缩开始温度为ty,材料的收缩 系数α不随温度变化。
3) ?铸件不产生挠曲变形。
4) 铸件收缩不受铸型阻碍。
5)? 横梁Ⅲ是刚性体。 ?; 图9-1b为杆I和杆Ⅱ的冷却曲线。开始冷却时,两杆具有相同的温度tL,最后又冷却到同一温度t0。由于杆I较厚,冷却前期杆Ⅱ的冷却速度大于杆I,而后期必然是杆I的冷却速度比杆Ⅱ快。在整个冷却过程中,两杆的温差变化如图9-1c所示。
???;
??? 近期的研究工作表明,合金的温度低于液相线以后,其变形由弹性变形、塑性变形和粘弹性变形组成,且以弹性变形为主。
这样,铸件在冷凝过程中,收缩一旦受阻,就产生应力。;;第二阶段(τ1~τ2):
tⅡty ,tⅠty。 ; 从τ1到τ2,两自由线收缩量的差为:
式中:???????α——线收缩系数,?????? ? L——杆长。???
即杆Ⅱ要比杆I多收缩α(Δtmax- ΔtH)L。
但两杆彼此相连,始终具有相同长度,故杆Ⅱ被拉长,杆I被压缩。这样,在杆Ⅱ内产生拉应力,在杆I内则产生压应力。到τ2时,应力达到极大值,该阶段为应力增长阶段。;第三阶段(τ2~τ3):
两杆的温差逐渐减小,到τ3时,温差又减小到Δt H。
在此阶段,杆I的冷却速度大于杆Ⅱ,即杆I的自由线收缩速度大于杆Ⅱ。;从τ2到τ3,两杆自由线收缩量的差值为:
从式中可以看出,从τ1到τ3,两杆的自由线收缩量相等。因为假定铸件只产生弹性变形,所以到达τ3时,两杆中的应力值均为零。这样,在第三阶段,两杆中的应力逐渐减小,到τ3时,铸件处于完全卸载状态。;; 在此阶段,杆I 被拉长,故产生拉应力,杆Ⅱ则相反,产生压应力。
到τ4时(室温),铸件内存在残余应力,杆Ⅱ内为压应力,杆I 内为拉应力。???;??? 应该指出,合金在高温时,特别是在固相线以上,屈服极限很低,铸件内产生的应力很容易超出屈服极限,发生塑性变形,使完全卸载时刻早于τ3。???
; 对于圆柱形铸件,内外层冷却条件不同,开始时外层冷却较快,后来则相反。因此,外层相当于应力框中的细杆,内部相当于粗杆。根据上述分析可知,冷却到室
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