铸造应力、变形和裂纹的形成与防止

出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《热加工手册》第246页（2534字）

铸件在冷却过程中，其固态收缩受到阻碍时，就会在铸件内部产生应力，称为铸造应力，该应力是铸件产生变形、冷裂和热裂等缺陷的主要原因．

4．2．3．1 铸造应力的形成

铸造应力按产生原因的不同可分为热应力、相变应力和收缩应力．

(1)热应力．热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分的冷却速度不同，以致在同一时间内，铸件各部分收缩不一致而造成的．通常，热应力使铸件的厚壁处或心部受拉伸，薄壁处或表层受压缩．合金的固态收缩率越高、铸件的壁厚差越大，热应力也越大．预防产生热应力的基本途径是尽量减小铸件各部分的温度差，使铸件均匀地冷却．因此，设计铸件结构时，应尽量使铸件壁厚均匀，避免金属聚集，并在铸造工艺上采取必要的措施，如采取同时凝固原则．

(2)相变应力．铸件各部位在不同的时间产生相变而引起的应力称为相变应力．

(3)收缩应力．它是铸件收缩受到机械阻碍而形成的应力，因此又称为机械应力．形成机械阻碍的原因很多，如型砂舂得过紧，型砂或芯砂的高温强度太高、退让性差等．这种应力是暂时的，故又称为暂时应力．当机械阻碍的原因一经消失，应力即自行消失．由于铸件高温强度低，当应力超过其高温强度时，在应力集中的部位，容易产生裂纹(热裂)．

铸造应力是收缩应力、热应力和相变应力的综合．根据铸件的具体情况，三种应力有时互相抵消，有时互相叠加；有时是暂时存在，有时则残留下来．铸件冷却过程中所产生的铸造应力，如超过该温度下合金的屈服强度，则将产生残留变形；如超过其抗拉强度，则将产生裂纹．如在弹性强度范围内，则以残留应力的形式存在铸件内，这样就可能降低其机械强度；或者使铸件产生变化，从而破坏机器的精度．在实际生产中，为了测定铸件中残留应力的大小及经热处理后应力消除的程度，常采用应力框试验．曲型的应力框如图4-2所示．

图4-2 典型的应力框图

(a)锯开前；(b)锯开后

计算应力采用如下公式：

式中 σ——所测得的应力值，MPa；

l₁——锯开前凸块端面距离，mm；

l₂——锯开后凸块端面距离，mm；

l——应力框中间竖杆长度，mm；

E——合金的弹性模量，MPa．

测定铸件热处理后应力的消除程度时，可随铸件一起铸出两批应力框，其中一批不经热处理而测定其内应力值(如为σ₁)；另一批随铸件一起热处理，再测定其内应力值(如为σ₂)，应力消除的程度就可按下式算出：

4．2．3．2 铸件的变形及其防止

热应力是铸件产生变形和裂纹的内在原因．铸件的薄壁部分(或外层)冷却较快，残留有压应力，厚壁部分(或内层)冷却较慢，残留有拉应力．具有内应力的铸件处于不稳定状态，能自发地进行变形以减小内应力，使其趋于稳定状态．变形的结果将使铸件产生弯曲．细而长或大而薄的铸件，更易变形．

为防止变形，应尽可能使铸件壁厚均匀或使之形状对称．对铸造工艺上应采取措施，力求使其同时凝固．有时，对长而易变形的铸件，在制模时，将木模制成与铸件变形相反的形状，用以抵消铸件产生的变形，这种方法称为反变形法．尽管铸件冷却时发生了一定的变形，但铸造应力仍难以彻底去除．经机械加工后，这些内应力将重新分布．铸件还会逐渐地发生变形，使加工后的零件丧失了应有的精度，严重影响机械产品质量．为此，不允许变形的重要铸件，必须采取自然时效或人工时效方法，将残留的内应力有效地去除．所谓人工时效是将铸件进行低温退火，它比自然时效节省时间，应用广泛．

4．2．3．3 铸件的裂纹及其防止

当铸造应力超过金属的强度极限时，铸件则发生裂纹．裂纹是铸件的严重缺陷，必须设法防止．

1．热裂

热裂是在凝固末期高温下形成的裂缝，其形状特征是裂纹短，缝隙宽，形状曲折，缝内金属呈氧化色(黄紫色)．热裂是铸钢和铸铝合金件中常见的缺陷．

为防止产生热裂，除了使铸件的结构设计合理外，还应合理地选择型砂或芯砂的黏结剂，以改善其退让性，大的型芯可制成中空的或内部填以焦炭．同时，应严格限制钢和铸铁中的含硫量，因为硫能增加热脆性，使合金的高温强度降低．

2．冷裂

冷裂是在较低温度下形成的，并常出现在受拉伸的部位，其裂缝细校呈连续直线状，缝内干净，有时呈轻微氧化色．

壁厚差别大、形状复杂的铸件，尤其是大而薄的铸件容易发生冷裂．凡是减小铸造内应力或降低合金脆性的因素，均能防止冷裂的形成．钢和铸铁中，磷能显着降低合金的冲击韧性，增加脆性，因此，在熔炼金属过程中，必须对磷加以严格控制．