铸件残余应力产生的原因
1.热应力
铸件各部分的厚薄是不一样的,如机床床身导轨部分很厚,侧臂,肋板部分较薄。铸后薄壁部分冷却速度快,收缩大,而厚壁部分冷却速度慢,收缩小。
薄壁部分的收缩受到厚壁部分的阻碍,所以薄壁部分受拉力,厚壁部分受压力。因纵向收缩差大,因而产生的拉应力也大。这时铸件的温度高、薄厚壁都处于塑性状态,其压应力使厚薄部分变粗,拉应力使薄壁部分变薄,拉应力随塑性变形而消失。
铸件逐渐冷却,薄壁部分进入塑性状态而厚薄部分处于塑性状态时,压应力使厚薄部分产生塑性变形继续变粗而薄壁部分是弹性拉长,这时,拉应力随厚壁部分变粗而消失。铸件仍继续冷却。当薄厚壁部分进入弹性区时,由于厚壁部分温度高,收缩量大,但薄壁部分内温度低收缩量小,薄壁部分阻止厚壁部分收缩,故薄壁部分压应力,厚壁部分受压应力,应力方向发生变化,这种作用一直保持到室温。结果在常温下厚壁部分受拉应力薄壁部分受压应力。
这种应力是由于各部分厚薄不同,冷却速度不同塑性变形不均而产生的,叫热应力。
在导轨或侧壁的同一截面内表层与内部,由于冷却快慢不同,也产生相互平衡拉压的应力,用类似上述方法分析可知在室温下表层受压应力,心部受拉应力并且截面越大应力越大,此应力也叫热应力。
2.相变应力
常用的铸铁含炭量在2.8-3.5%,属于亚共晶铸铁,由于结晶过程可知,厚壁部分在1153℃共晶结晶时,折出共晶石墨,产生体积膨胀,薄壁部分阻碍其膨胀,厚壁部分受压应力,薄壁部分受拉应力。厚壁部分因温度高降温速度快,收缩快,所以厚壁部分逐渐为受拉应力。而薄壁与其相反。在共析(738℃)前的收缩中,薄厚壁均处于塑性状态,应力虽然不断产生,但又不断被塑性变形所松弛,应力并不大。当降到738℃时,铸铁发生折转变,由面心方格变为体心立方结构(即γ-Fe变为δ-Fe)比容由0.124CM3/g增大到0.127 CM3/g,同时有共析析出,使厚壁部分伸入,产生压应力。上述两种应力是在1153℃和738℃两次相变而产生的。叫做相变应力。相变应力与冷却过程中产生的热应力方向相反,相反应力被热应力抵消,共析转变以后,不再产生相变应力,因此铸件由于厚薄冷却速度不同,所形成的热应力起主要作用。
3.收缩应力(亦叫机械阻碍应力)
铸件在固定收缩时,因受到铸型型芯,浇冒口等的阻碍作用,而产生的应力叫做收缩应力。
由于各部分由塑性到弹性状态转变有先后,型芯等对收缩的阻力将在铸件内部造成不均匀的塑性变形,产生残余应力。收缩力一般不大,打箱后可消失。