铸造残余应力的测定实验报告

铸造残余应力的测定实验报告
1. 实验目的
(1) 了解铸造残余应力的产生原因。

(2) 了解用应力框测定铸造残余应力的方法。

(3) 了解退火对消除残余应力的效果。

2. 实验原理
2.1 铸造应力
铸件在凝固和冷却过程中由于各部分体积变化不一致导致彼此制约而引起的应力称为铸造应力。

铸造应力可分为三种，即热应力、相变应力和收缩应力。

铸造应力可能是暂时性的，当引起应力的原因消除以后，应力随之消失，称为临时应力；否则为残余应力。

铸造应力对铸件质量有重要影响，如果铸造应力超过材料的屈服强度，铸件则产生变形；如果铸造应力超过材料的强度极限时，铸件则产生裂纹。

残余应力还会降低铸件的使用性能，如失去精度、在使用过程中造成断裂或产生应力腐蚀等。

2.2 铸造应力的测定方法——应力框试验法
图1为测定铸造残余应力的框形铸件，由于I 杆和II 杆截面尺寸差别大，因而铸造后细杆I 中形成压应力，粗杆II 中形成拉应力。

若在A-A 截面处将粗杆锯开，锯至一定程度时，由于截面变小，粗杆被拉断。

受弹性拉长的粗杆长度较自由收缩条件下的长度缩短，其缩短量∆L 和铸造残留应力成正比，其值可根据锯断前、后粗杆上小凸台的长度(L 0 ,L 1）差求出，即∆L ＝L 1一L 0。

铸造残留应力σ1和σ2的计算公式为：
细杆残留应力σ1＝－E
)21(2101F F L L L +-，粗杆残留应力σ2＝－E )
21(1
2
1F F L L L +-
图1应力框铸件图
式中：
σ1，σ2——细杆、粗杆中的铸造应力（MPa ）； L 0，L 1——锯断前、后小凸台的长度（mm ）；
F1，F 2——细杆、粗杆的横截面积（mm2）；
L——杆的长度，L=130mm；
E——弹性模量，普通灰铸铁取9×104MPa，球墨铸铁取1.8×105MPa。

2.3减小及消除残余应力的方法
铸造应力导致铸件翘曲变形甚至开裂，特别是铸件中的残余应力，如不消除，将降低零件的加工精度，在使用中会继续变形，降低机械性能和使用性能。

因此应设法减小和消除残余应力。

（1）减小铸造应力的措施和途径
①选用弹性模量E和热膨胀系数α小的合金作为铸件材质。

②减小铸件冷却过程中的温差：
（a）在铸件厚实部位放置冷铁或蓄热系数大的型砂，加速厚实部分的冷却。

（b）对铸件厚实部分的铸型或砂芯实行强制冷却。

（c）在铸件壁薄处开内浇道，使铸件各部分温度趋于一致。

（d）提高浇注时铸型的温度。

（e）将铸件于红热状态开箱取出，尽快置于已加热到500~600℃的保温炉中，保持一定时间使铸件各部分温度趋于一致，然后随炉缓冷至200~250℃出炉。

③改善铸型和砂芯的溃散性。

④改进铸件结构，避免形成较大应力和应力集中。

（2）消除铸件中残余应力的方法
消除铸件中残余应力的方法有自然失效、人工时效和共振时效等方法。

①自然失效
将有残余应力的铸件放置在露天场地，经半年乃至一年以上，让残余应力逐渐自然消退，这种方法称为自然时效。

②人工时效
人工时效又称热时效或消除内应力退火。

把铸件加热到合金的弹塑性状态的温度范围内，保持一定时间，使残余应力得以消除，然后缓慢冷却，以免重新产生残余应力。

③共振时效
共振时效的原理是：在激振器的周期性外力即激振力作用下，与铸件发生共振，因而使铸件获得相当大的振动能量。

在共振过程中交变应力与残余应力叠加，产生局部屈服，引起塑性变形，使铸件中的残余应力逐渐松弛甚至消失，达到稳定铸件尺寸的目的。

3.实验内容
本次实验测定应力框铸件（灰口铸铁）铸态及其退火热处理后的残余应力，测定步骤如下：
(1)造型（3个应力框试样）；
(2)浇注（铁水温度为1330～1350℃）；
(3)用热分析装置测试一个铸型中应力框铸件厚、薄壁的冷却曲线。

(4)浇注后30min打箱，用钢丝刷刷去应力框铸件表面型砂；
(5)将其中1个应力框放入热处理炉中，在550℃保温3小时后炉冷；
(6)将上述2个应力框铸件的粗杆小凸台上成锐角相交的四个棱柱面锉平；
(7)用卡尺测量小凸台长度L0；
(8)在小凸台A-A截面处从1、2、3三面依次锯开粗杆（见图1），注意各锯口应在垂
直于杆轴线的同一平面内。

(9)锯至粗杆断裂后，再测量小凸台长度L1，测量结果填入表1；
(10)计算铸造残余应力σ1和σ2。

4.实验结果与分析
应力框铸件中热应力的形成过程如图21所示。

图2上部表示了杆I和杆II的冷却曲线，T临表示金属弹塑性临界温度。

在T0~T1阶段，杆I和杆II均处于塑性状态，由于杆II较粗，其冷却速度较慢，从而两杆收缩不一致，会产生应力，但铸件可以通过两杆的塑性变形使应力很快自行消失。

在T1~T2间，此时杆I温度较低，已进入弹性状态，但杆II仍处于塑性状态。

杆I由于冷却快，收缩大于杆II，在横杆作用下将对杆II产生压应力，如图2（b）所示。

处于塑性状态的杆II受压力作用产生压缩塑性变形，使杆I、杆II的收缩一致，应力随之消失，如图2（c）所示。

在T2~T3阶段，当铸件进一步冷却至更低温度时，杆I和杆II均进入弹性状态，此时杆II温度较高，冷却时还将产生较大收缩，杆I温度较低，收缩已趋停止，在最后冷却阶段时，杆II的收缩将受杆I强烈影响，因此杆II受拉，杆I受压，并保留到室温，形成了残余应力，如图2（d）所示。

图2热应力的形成（+表示拉应力；-表示压应力）
5.思考题
1翟封祥，尹志华等.材料成形工艺基础.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003
（1）简述铸造应力的危害。

答：在铸件冷却过程中，临时应力与残余应力同时对铸件起作用，开模后，只有残余应力对铸件起作用。

在铸造过程中，铸造应力的存在能引起铸件产生变形和开裂，当铸件中总的铸造应力超过屈服极限时，将产生塑性变形，引起铸件尺寸的改变；当铸造应力超过强度极限时，引起铸件开裂，形成铸造裂纹。

而低于弹性极限的热应力和部分相变应力则会保留在铸件内形成残余应力。

残余应力的存在对铸件的质量有很大影响，有残余应力的铸件在长时间放置或随后的机械加工时，可能引起铸件的变形，失去原来的精度，甚至开裂；为此需要加大加工余量。

在大批量生产时，变形的铸件在机械加工时往往因放不进夹具而报废。

有残余应力的铸件，机械加工后残余应力失衡，可能产生新的变形使精度降低或尺寸超差。

加工后有残余应力的零件在使用过程中如果受力方向和铸造应力的方向一致时，其叠加应力可能超过材料的屈服极限甚至强度极限，使铸件产生变形和开裂以致报废。

若在腐蚀介质中存放或工作，还会因抗腐蚀性降低而产生应力腐蚀而开裂。

（2）铸造残余应力的大小与浇注后落砂时间的早晚是否有关系？
答：有关。

为减小铸造残余应力，应使落砂时间晚些，从而使铸件能够充分冷却，提高铸件温度分布的均匀性。

（3）车床导轨处的残余应力一般是拉应力还是压应力？如何防止和消除？
答：受拉应力。

因为车床导轨部分铸壁很厚，而侧壁、筋板部分壁较薄，根据对应力框铸件的分析可知，厚大部位在铸件冷却到室温后承受拉应力，因此导轨处的残余应力为压应力。