第10章應(yīng)力、變形及裂紋

第十章應(yīng)力、變形及裂紋材料成型與控制專業(yè)2/3/202311、概念：內(nèi)應(yīng)力：熱加工中，工件因經(jīng)歷加熱與冷卻過程，伴隨熱脹冷縮現(xiàn)象。某些合金發(fā)生相變，也引起收縮和膨脹。從而使工件體積和形態(tài)都發(fā)生變化。若該變化受阻礙，便在工件中產(chǎn)生應(yīng)力，稱為內(nèi)應(yīng)力。鑄造應(yīng)力：內(nèi)應(yīng)力在鑄造中稱為鑄造應(yīng)力。瞬時(shí)應(yīng)力：在加熱冷卻過程中形成的應(yīng)力稱為瞬時(shí)應(yīng)力。殘余應(yīng)力：完全冷卻后殘存在工件中的應(yīng)力，稱為殘余應(yīng)力。2/3/202322、內(nèi)應(yīng)力對(duì)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(shí)，工件發(fā)生塑性變形——尺寸、形狀發(fā)生變化；（2）應(yīng)力值超過金屬強(qiáng)度極限時(shí)，工件產(chǎn)生裂紋；（3）應(yīng)力值低于金屬彈性極限時(shí)，以殘余應(yīng)力存在。2/3/202333、殘余應(yīng)力對(duì)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(shí)，在內(nèi)外應(yīng)力共同作用下——超出強(qiáng)度極限——導(dǎo)致局部或整體斷裂；在腐蝕介質(zhì)中，還會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。2/3/20234第一節(jié)內(nèi)應(yīng)力

內(nèi)應(yīng)力按產(chǎn)生原因分：熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和機(jī)械阻礙應(yīng)力。（一）熱應(yīng)力工件在受熱及冷卻過程中，由于各部分溫度不同、冷卻速度不同造成工件上同一時(shí)刻各部分收縮（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起，故稱為熱應(yīng)力。2/3/20235例：金屬框若整體均勻加熱和均勻冷卻，不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力；若只加熱中心桿—溫度上升、發(fā)生伸長(zhǎng)——但會(huì)受兩側(cè)桿的阻礙——受壓縮力作用；兩側(cè)桿受中心桿作用——受拉伸力作用。若熱應(yīng)力較小，低于材料的屈服強(qiáng)度——框架內(nèi)不產(chǎn)生塑性變形——溫度均勻化后——熱應(yīng)力消失。2/3/20236例：金屬框若熱應(yīng)力較大，超過材料的屈服強(qiáng)度——中心桿產(chǎn)生壓縮塑性變形。當(dāng)溫度下降到原始狀態(tài)時(shí)，若中心桿能自由收縮，長(zhǎng)度必然比原來的短，縮短量就是壓縮塑性變形量；實(shí)際上，受兩側(cè)桿阻礙，中心桿不能自由收縮——中心桿受拉應(yīng)力、兩側(cè)桿受壓應(yīng)力——形成新的內(nèi)應(yīng)力體系——?dú)堄鄳?yīng)力。

2/3/20237熱應(yīng)力的表達(dá)式：式中，△T溫度增量；E為彈性模量，常量；為線膨脹系數(shù)，常量。（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。2/3/20238例1：厚度不均勻的T字梁

——?dú)堄鄳?yīng)力形成過程鑄件由桿Ⅰ和桿Ⅱ組成，桿Ⅰ厚，桿Ⅱ薄。假設(shè)：桿Ⅰ和桿Ⅱ從同一溫度TH開始冷卻，最后冷卻到T0；Tk溫度以上塑性狀態(tài)；Tk溫度以下彈性變形；冷卻時(shí)無固態(tài)相變，鑄件收縮不受鑄型阻礙；合金線脹系數(shù)和彈性模量為常數(shù)，不隨溫度變化。

2/3/20239桿Ⅰ和桿Ⅱ的冷卻曲線桿Ⅰ厚，冷卻前期桿Ⅰ冷速比桿Ⅱ小；因兩桿溫度最終相同，冷卻后期桿Ⅰ冷速比桿Ⅱ大。

2/3/202310桿Ⅰ和桿Ⅱ的收縮率曲線由于鑄件自由收縮率與溫度成正比，故該曲線外形與冷卻曲線一致。虛線C0C1C2C3為兩桿聯(lián)在一起收縮后的曲線。

2/3/202311在時(shí)間t0—t1內(nèi)，TⅠ、TⅡTk，桿Ⅰ和桿Ⅱ均處于塑性狀態(tài)。桿Ⅰ被塑性壓縮，桿Ⅱ被塑性拉伸。鑄件不產(chǎn)生熱應(yīng)力。在時(shí)間t1—t2內(nèi)，TⅠTk、TⅡTk，桿Ⅰ仍處于塑性狀態(tài)，桿Ⅱ處于彈性狀態(tài)。鑄件收縮由變形困難的桿Ⅱ決定，桿Ⅰ處于塑性狀態(tài)對(duì)桿Ⅱ無阻力。鑄件仍不產(chǎn)生熱應(yīng)力。2/3/202312在時(shí)間t2—t3內(nèi)，TⅠTk、TⅡTk，兩桿均處于彈性狀態(tài)。但桿Ⅰ溫度高于桿Ⅱ溫度，桿Ⅰ收縮比桿Ⅱ嚴(yán)重，所以桿Ⅰ被彈性拉伸——拉應(yīng)力，桿Ⅱ被彈性壓縮——壓應(yīng)力。故常溫時(shí)存在殘余應(yīng)力。2/3/202313（三）相變應(yīng)力具有相變的合金，各部分發(fā)生相變先后及程度不同，產(chǎn)生的應(yīng)力稱為相變應(yīng)力。厚壁鑄件中的相變應(yīng)力，分兩種情況：（1）冷卻時(shí)，當(dāng)鑄件內(nèi)層處于塑性狀態(tài)時(shí)，外層已經(jīng)開始發(fā)生相變。如果新相體積大于舊相，則鑄件外層發(fā)生膨脹，內(nèi)層塑性變形，鑄件不會(huì)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——外層發(fā)生彈性拉伸——拉應(yīng)力；內(nèi)層彈性壓縮——壓應(yīng)力。內(nèi)層相變應(yīng)力與熱應(yīng)力符號(hào)相反（內(nèi)層溫度高，收縮嚴(yán)重，被外層阻礙——拉應(yīng)力）。2/3/202314（2）外層發(fā)生相變時(shí)，內(nèi)層處于彈性狀態(tài)，但內(nèi)層不發(fā)生相變——相當(dāng)于表面淬火處理。外層發(fā)生相變產(chǎn)生體積膨脹——受內(nèi)層制約——壓應(yīng)力；內(nèi)層——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(hào)相同（外層激冷，溫度低，內(nèi)層相對(duì)溫度高，繼續(xù)冷卻，內(nèi)層拉應(yīng)力）。2/3/202315（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)生的應(yīng)力稱為機(jī)械阻礙應(yīng)力。1、機(jī)械阻礙的來源：（1）鑄型和型芯有較高的強(qiáng)度和較低的退讓性。（2）砂箱內(nèi)的箱檔和型芯內(nèi)的芯骨。（3）設(shè)置在鑄件上的拉桿、防裂肋、分型面上的鑄件飛邊。（4）澆冒口系統(tǒng)以及鑄件上的一些突出部分。2/3/2023162、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。（2）若應(yīng)力是在彈性范圍內(nèi)，當(dāng)阻礙消除后，則應(yīng)力消失。（3）但是當(dāng)阻礙應(yīng)力與其它應(yīng)力同時(shí)作用且方向一致時(shí)，則會(huì)促使內(nèi)應(yīng)力加劇，甚至導(dǎo)致工件中出現(xiàn)裂紋。2/3/202317綜上所述，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；在冷卻過程中的某一瞬時(shí)，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(shí)，工件就會(huì)產(chǎn)生裂紋。工件中的殘余應(yīng)力并非是永久性的。經(jīng)過熱處理，即在一定溫度下保持一定時(shí)間后，工件內(nèi)各部分應(yīng)力會(huì)重新分配或消失。2/3/202318三、減小或消除應(yīng)力的途徑

（一）合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1、鑄件的壁厚差要盡量減??；2、厚薄壁連接處要圓滑過渡；3、鑄件厚壁處砂層要減?。哟罄渌伲?，或放置冷鐵；4、合理設(shè)計(jì)澆冒口，盡量使鑄件各部分溫度均勻。2/3/202319

厚度變化時(shí)2/3/202320（二）選擇合理的工藝及采用必要的措施1、澆注鑄件時(shí)，在滿足使用要求的前提下，應(yīng)選擇彈性模量和收縮系數(shù)小的材料；2、提高鑄型的預(yù)熱溫度有利于減小鑄件各部分的溫差；3、采用較細(xì)的面砂和涂料，可減小鑄件表面的摩擦阻力；4、控制鑄型和型芯的緊實(shí)度、加木屑、焦炭等可提高鑄型及型芯的退讓性；5、控制鑄件在型內(nèi)的冷卻時(shí)間，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。

2/3/2023216、使鑄件的凝固符合同時(shí)凝固原則。2/3/202322(三)殘余應(yīng)力的消除1．熱處理法——最常用的方法將工件加熱到塑性狀態(tài)的溫度，并在此溫度下保溫一段時(shí)間，利用蠕變產(chǎn)生新的塑性變形，使應(yīng)力消除。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。加熱溫度和保溫時(shí)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。2/3/2023232．自然時(shí)效法將有殘余應(yīng)力的鑄件放置在露天場(chǎng)地，經(jīng)數(shù)月乃至半年時(shí)間以上，應(yīng)力慢慢自然消失。特點(diǎn)：長(zhǎng)時(shí)間受不斷變化溫度作用，晶格畸變恢復(fù)，鑄件變形，應(yīng)力消除。費(fèi)用低，但時(shí)間太長(zhǎng)，效率低，近代很少采用。2/3/2023243．共振法將鑄件在共振條件下振動(dòng)10-15min，以達(dá)到消除鑄件中殘余應(yīng)力的目的。該法與熱處理法相比，設(shè)備費(fèi)用低，花費(fèi)的時(shí)間少，易于操作，而且無氧化皮，不受工件大小尺寸的限制，也不會(huì)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。2/3/202325第二節(jié)

變形

當(dāng)工件的形狀尺寸發(fā)生變化與圖樣不符合時(shí)，說明工件發(fā)生了變形。若為鑄造所致，被稱為鑄造變形。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的屈服強(qiáng)度時(shí)，工件就會(huì)發(fā)生變形，以減小內(nèi)應(yīng)力，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。工件完全冷卻后，遺留下的變形被稱為殘余變形。一、變形的種類(一)整體變形整體變形是指整個(gè)結(jié)構(gòu)形狀和尺寸發(fā)生變化，是由各個(gè)方向收縮引起的。2/3/202326例：厚薄不均的T字型梁的彎曲變形因壁薄部分的冷卻較快，壁厚部分的冷卻較慢，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。達(dá)到平衡態(tài)時(shí)，導(dǎo)致變形的方向?yàn)楹竦牟糠窒騼?nèi)凹，薄的部分向外凸。

2/3/202327上圖中I桿厚，Ⅱ桿?。寒?dāng)兩者溫度都低于彈性溫度時(shí)，由于Ⅱ桿比I桿先冷，所以，當(dāng)I桿冷至室溫后，I桿的收縮受到Ⅱ桿的限制，而承受拉伸應(yīng)力，Ⅱ桿承受壓縮應(yīng)力。故在長(zhǎng)度方向，I桿向下凹，而桿Ⅱ向下凸。2/3/202328下圖中I桿薄，Ⅱ桿厚：其原理如上述，只是I桿與Ⅱ桿的關(guān)系相對(duì)換。從而，I桿受到壓應(yīng)力，向上凸，Ⅱ桿受到拉應(yīng)力，向上凹。2/3/202329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，截面形態(tài)如圖a上圖的狀態(tài)。所以，其變形方向是向下凹。2/3/202330例：厚薄均勻的平板鑄件由于平板中心部分比四周冷卻得慢，以致中心部分產(chǎn)生拉應(yīng)力(四周約束，無法收縮)，而四周產(chǎn)生壓應(yīng)力（因受向心力而互相擠壓）。當(dāng)平板上下兩面存在溫差時(shí)，就可能產(chǎn)生彎曲變形。通常上面的導(dǎo)熱差，冷到室溫的時(shí)間較長(zhǎng)（收縮時(shí)下面不隨著收縮），因此平板的變形呈中間向下凹的形態(tài)。2/3/202331例：帶輪鑄件的波浪變形(二)局部變形局部變形是指結(jié)構(gòu)的某些部分發(fā)生的變形。帶輪的特點(diǎn)是輪緣和輪輻比輪轂薄，當(dāng)輪轂進(jìn)入彈性狀態(tài)時(shí)，其收縮受到輪緣和輪輻的阻礙，所以輪轂受拉應(yīng)力，輪緣受壓應(yīng)力，輪輻亦受拉應(yīng)力。2/3/202332二、影響變形的因素

(一)金屬材料的熱物理性能金屬材料的熱物理性能對(duì)變形有一定的影響。1、材料的線脹系數(shù)越大，則產(chǎn)生的塑性變形越大。冷卻后，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。2、導(dǎo)熱性好的金屬，如鋁及其合金，因其線脹系數(shù)大，且在高溫時(shí)的強(qiáng)度較低，變形也大。2/3/202333(二)工藝因素在鑄造中，用來制作木模的木料未干燥，或重新吸收水分，以致木模產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致砂型和鑄件產(chǎn)生變形。模型的剛度不足或強(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。

2/3/202334三、防止或減少變形的方法

(一)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要考慮強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，而且還要考慮制造工藝。在鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以采用局部加厚、設(shè)置拉肋等方法來減小鑄件變形。如帶輪的輪緣厚度比輪轂薄，冷卻后容易向內(nèi)凹，導(dǎo)致加工余量不足。為此可以在輪緣與輪轂連接處的外圓，進(jìn)行局部加厚。2/3/202335鑄件的法蘭部分因收縮受到砂芯或砂型的阻礙而變形，因而可以在該處設(shè)置拉肋，阻止法蘭變形。

2/3/202336(二)工藝方面1、反變形法——最常用的方法根據(jù)結(jié)構(gòu)件變形的情況，預(yù)先給出一個(gè)方向相反、大小相等的變形，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)要求。反變形的尺寸、形態(tài)應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)或經(jīng)驗(yàn)來確定。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，床身的模樣要分成兩段，造型時(shí)導(dǎo)軌面向下。2/3/2023372、合理的工藝（1）加壓鐵澆注前，可將壓鐵放在砂箱上，以防止鑄件的彎曲變形。原理：砂箱內(nèi)鐵液充填時(shí)出現(xiàn)浮力，將上砂箱上抬，壓鐵通過鐵墊對(duì)浮力產(chǎn)生壓力。這樣，既可避免砂箱上抬時(shí)跑鐵液，同時(shí)也能防止鑄件的變形。2/3/202338（2）控制鑄件出型時(shí)間若出型過早，由于溫度高，遇風(fēng)后各部分的溫差會(huì)加劇，而導(dǎo)致變形量增加。若鑄件早出型后立即退火，使鑄件緩慢冷卻，就可減小變形量。（3）對(duì)于半圓形的鑄件可將兩個(gè)鑄件連在一起澆注，使柔性結(jié)構(gòu)變?yōu)閯傂越Y(jié)構(gòu)，以防止鑄件的變形。

2/3/202339第三節(jié)裂紋

一、裂紋的種類按位置分：表面裂紋和內(nèi)部裂紋；按溫度分：熱裂紋和冷裂紋。二、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，多在固相線附近發(fā)生，故稱為熱裂紋。

2/3/202340(一)熱裂紋的形成條件及其特征1．熱裂紋的形成條件

條件：在高溫階段，晶間的延性或塑性變形能力不足以承受當(dāng)時(shí)應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變量。在金屬凝固過程中，存在一個(gè)“脆性溫度區(qū)”，它具有最低的延性，受力時(shí)易于產(chǎn)生熱裂紋。2/3/2023412．熱裂紋的特征（1）裂口外觀形狀曲折而不規(guī)則；（2）裂口有明顯的氧化色彩；（3）裂口沿晶粒邊界通過。2/3/202342（二）熱裂紋的形成機(jī)理

有兩種理論：強(qiáng)度理論和液膜理論1、強(qiáng)度理論金屬在固相線上下溫度范圍內(nèi)延伸率極低，金屬呈脆性斷裂，把該溫度區(qū)間定義為“脆性溫度區(qū)”。熱裂就是在脆性區(qū)內(nèi)形成的。脆性區(qū)愈大，熱裂越容易形成。鑄件凝固時(shí)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(huì)形成熱裂。但鑄件凝固收縮時(shí)往往受各種阻力，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強(qiáng)度，就產(chǎn)生熱裂。2/3/2023432、液膜理論當(dāng)鑄件凝固到固相線附近時(shí)，晶體周圍還有少量未凝固的液體，構(gòu)成一層液膜。當(dāng)鑄件收縮因某種原因受到阻礙時(shí)，晶體和晶間液膜內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)，液膜就會(huì)開裂，形成晶間裂縫。2/3/202344（三）影響熱裂紋的因素1、冶金因素的影響冶金因素包括：（1）合金的化學(xué)成分；（2）凝固組織形態(tài)。(1)化學(xué)成分1)合金元素對(duì)凝固溫度區(qū)的影響合金元素既影響凝固溫度區(qū)的大小，也影響合金在脆性溫度區(qū)中的塑性。2/3/202345裂紋傾向的大小是隨凝固溫度區(qū)的增大而增加。隨著合金元素的增加，凝固溫度區(qū)增大，同時(shí)脆性溫度區(qū)的范圍也增大（陰影部分），因此裂紋的傾向也隨之增大。2/3/2023462/3/2023472)雜質(zhì)元素的偏析以及偏析產(chǎn)物的形態(tài)的影響雜質(zhì)元素硫和磷在鋼中能形成多種低熔合金，即使微量存在，也會(huì)使凝固溫度區(qū)大大增加，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。硫和磷在鋼中還能引起偏析，富集在晶界，增加裂紋傾向。所以在鑄鋼件中，必須限制S、P的有害作用。2/3/202348（2）凝固組織形態(tài)對(duì)熱裂紋的影響對(duì)于奧氏體鋼，凝固后晶粒的大小、形態(tài)和方向以及析出的初生相等對(duì)抗裂性都有很大影響。晶粒越粗大，方向性越明顯，產(chǎn)生熱裂紋傾向越大。2/3/2023492、液態(tài)成形工藝因素的影響（1）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。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粘結(jié)劑有關(guān)。

鑄件表面粘砂阻礙鑄件與鑄型表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也會(huì)影響鑄件收縮，并促使熱裂的形成。采用金屬型澆注大的鑄鋁件時(shí)，鑄件表面冷卻很快，形成一凝固層。同時(shí)由于收縮使鑄件表面離開鑄型壁，在金屬液體靜壓力的作用下，因凝固層強(qiáng)度不足也會(huì)形成熱裂。提高金屬型的溫度可以減小熱裂傾向。2/3/202350（2）澆注條件的影響1）澆注溫度應(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，以利于充填，并使凝固速度緩慢均勻，減小熱裂傾向。

厚壁鑄件，澆注溫度過高會(huì)增加縮孔容積，減緩冷卻速度，并使初晶粗化，形成偏析，易形成熱裂。此外，澆注溫度過高易引起鑄件粘砂或與金屬型壁粘合，阻礙鑄件收縮，引起熱裂。2/3/202351

2）澆注速度對(duì)熱裂的影響澆注薄壁件時(shí)，希望型腔內(nèi)液面上升速度較快，以防止局部過熱。而對(duì)于厚壁鑄件則要求澆注速度盡可能慢一些。

3）澆注時(shí)金屬引入鑄型的方法對(duì)熱裂的影響一般內(nèi)澆道附近的溫度較高，冷卻較慢，此處為薄弱環(huán)節(jié)。如能將內(nèi)澆道分散在幾處引入鑄型，使收縮應(yīng)力分散，也可以減少熱裂傾向。2/3/202352（3）鑄件結(jié)構(gòu)的影響1）當(dāng)鑄件的厚薄不均時(shí)，冷卻速度也不同，薄的部分先凝固，在降到較低溫度時(shí)具有較高的強(qiáng)度。當(dāng)厚的部分凝固時(shí)，收縮應(yīng)力易集中于此處，易出現(xiàn)裂紋。2）鑄型壁十字交接時(shí)，會(huì)在該處形成熱節(jié)，并產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，易產(chǎn)生熱