第12章-应力、变形及裂纹..

1/54材料成形原理材料成型与控制专业第十二章应力、变形及裂纹2/54•1、概念：•内应力：热加工中，工件因经历加热与冷却过程，伴随热胀冷缩现象。某些合金发生相变，也引起收缩和膨胀。从而使工件体积和形态都发生变化。若该变化受阻碍，便在工件中产生应力，称为内应力。•铸造应力：内应力在铸造中称为铸造应力。•瞬时应力：在加热冷却过程中形成的应力称为瞬时应力。•残余应力：完全冷却后残存在工件中的应力，称为残余应力。3/54•2、内应力对工件或结构的质量的影响•（1）应力值超过金属屈服极限时，工件发生塑性变形——尺寸、形状发生变化；•（2）应力值超过金属强度极限时，工件产生裂纹；•（3）应力值低于金属弹性极限时，以残余应力存在。•3、残余应力对构件承载能力的影响•当载荷作用方向与构件内应力方向一致时，在内外应力共同作用下——超出强度极限——导致局部或整体断裂；•在腐蚀介质中，还会出现应力腐蚀开裂现象。4/54第一节内应力•内应力按产生原因分：热应力、相变应力和机械阻碍应力。•（一）热应力•工件在受热及冷却过程中，由于各部分温度不同、冷却速度不同造成工件上同一时刻各部分收缩（或膨胀）量不同，从而导致内部彼此相互制约而产生应力。由于是由热胀冷缩引起，故称为热应力。5/54例：金属框•若整体均匀加热和均匀冷却，不会产生应力；•若只加热中心杆—温度上升、发生伸长——但会受两侧杆的阻碍——受压缩力作用；两侧杆受中心杆作用——受拉伸力作用。•若热应力较小，低于材料的屈服强度——框架内不产生塑性变形——温度均匀化后——热应力消失。6/54例：金属框•若热应力较大，超过材料的屈服强度——中心杆产生压缩塑性变形。当温度下降到原始状态时，若中心杆能自由收缩，长度必然比原来的短，缩短量就是压缩塑性变形量；实际上，受两侧杆阻碍，中心杆不能自由收缩——中心杆受拉应力、两侧杆受压应力——形成新的内应力体系——残余应力。7/54热应力的表达式：式中，△T温度增量；E为弹性模量，常量；为线膨胀系数，常量。TE•（二）铸件内的应力与变形铸件在凝固后的冷却过程中，由于各部分冷速不一致，引起收缩量不同，因各部分彼此相联、互相制约，产生热应力。8/54例：厚度不均匀的T字梁铸件由杆Ⅰ和杆Ⅱ组成，杆Ⅰ较厚，杆Ⅱ较薄。假设：（1）杆Ⅰ和杆Ⅱ从同一温度TH开始冷却，最后冷却到T0；（2）Tk温度以上，合金塑性状态；Tk温度以下弹性变形；（3）冷却过程中不发生固态相变，且铸件收缩不受铸型阻碍；（4）材料线胀系数和弹性模量为常数，不随温度变化。9/54杆Ⅰ和杆Ⅱ的冷却曲线•杆Ⅰ较厚，冷却前期杆Ⅰ冷速比杆Ⅱ小；因两杆温度最终相同，冷却后期杆Ⅰ冷速比杆Ⅱ大。10/54杆Ⅰ和杆Ⅱ的收缩率曲线•由于铸件自由收缩率与温度成正比，故该曲线外形与冷却曲线一致。虚线C0C1C2C3为两杆联在一起收缩后的曲线。11/54在时间t0—t1内，TⅠ、TⅡTk，杆Ⅰ和杆Ⅱ均处于塑性状态。杆Ⅰ被塑性压缩，杆Ⅱ被塑性拉伸。铸件不产生热应力。在时间t1—t2内，TⅠTk、TⅡTk，杆Ⅰ仍处于塑性状态，杆Ⅱ处于弹性状态。铸件收缩由变形困难的杆Ⅱ决定，杆Ⅰ处于塑性状态对杆Ⅱ无阻力。铸件仍不产生热应力。12/54在时间t2—t3内，TⅠTk、TⅡTk，两杆均处于弹性状态。但杆Ⅰ温度高于杆Ⅱ温度，杆Ⅰ收缩比杆Ⅱ严重，所以杆Ⅰ被弹性拉伸——拉应力，杆Ⅱ被弹性压缩——压应力。故常温时存在残余应力。13/54•（三）相变应力具有相变的合金，各部分发生相变先后及程度不同，产生的应力称为相变应力。分析厚壁铸件中的相变应力时，分两种情况：•（1）在冷却过程中，当铸件内层处于塑性状态时，外层已经开始发生相变。如析出新相体积大于旧相，则铸件外层发生膨胀，内层塑性变形，铸件不会产生相变应力。铸件继续冷却，内层也达到弹性状态，产生体积膨胀的相变——外层发生弹性拉伸——拉应力；内层弹性压缩——压应力。内层相变应力与热应力符号相反（内层温度高，收缩严重，被外层阻碍——拉应力）。•（2）外层发生相变时，内层处于弹性状态，但内层不发生相变——相当于表面淬火处理。外层发生相变产生体积膨胀——受内层制约——压应力，内层——拉应力。内层因外层相变产生的应力与热应力符号相同（外层激冷，温度低，内层相对温度高，继续冷却，内层拉应力）。14/54（四）机械阻碍应力工件冷却过程中产生的收缩，受到外界的阻碍而产生的应力称为机械阻碍应力。1、机械阻碍的来源：（1）铸型和型芯有较高的强度和较低的退让性。（2）砂箱内的箱档和型芯内的芯骨。（3）设置在铸件上的拉杆、防裂肋、分型面上的铸件飞边。（4）浇冒口系统以及铸件上的一些突出部分。2、机械阻碍应力的影响：（1）机械阻碍应力可使工件产生拉伸或剪切应力。（2）若应力是在弹性范围内，当阻碍消除后，则应力消失。（3）但是当阻碍应力与其它应力同时作用且方向一致时，则会促使内应力加剧，甚至导致工件中出现裂纹。15/54•综上所述，铸件内的应力是热应力、相变应力及机械阻碍应力的总和，在冷却过程中的某一瞬时，当局部应力的总和大于金属在该温度下的强度极限时，工件就会产生裂纹。•工件中的残余应力并非是永久性的。经过热处理，即在一定温度下经过一定时间后，工件内各部分应力会重新分配或消失。16/54三、减小或消除应力的途径•（一）合理的结构设计•1、铸件的壁厚差要尽量减小；•2、厚薄壁连接处要圆滑过渡。•3、铸件厚壁处砂层要减薄（加大冷速），或放置冷铁；•4、合理设计浇冒口，尽量使铸件各部分温度均匀。17/54•（二）选择合理的工艺及采用必要的措施•1、浇注铸件时，在满足使用要求的前提下，应选择弹性模量和收缩系数小的材料；•2、提高铸型的预热温度有利于减小铸件各部分的温差；•3、采用较细的面砂和涂料，可减小铸件表面的摩擦阻力；•4、控制铸型和型芯的紧实度、加木屑、焦炭等可提高铸型及型芯的退让性；•5、控制铸件在型内的冷却时间，不能打箱过早，但为了减小铸型和型芯的阻力，也不能打箱过迟。18/54•(三)残余应力的消除•1．热处理法——最常用的方法•将工件加热到塑性状态的温度，并在此温度下保温一段时间，利用蠕变产生新的塑性变形，使应力消除。再缓慢冷却，使厚、薄部位的温度均匀，而不重新出现应力。•加热温度和保温时间，需根据材料的性质、工件的结构以及冷却条件而定。19/54•2．自然时效法•将有残余应力的铸件放置在露天场地，经数月乃至半年时间以上，应力慢慢自然消失。•特点：长时间受不断变化温度作用，晶格畸变恢复，铸件变形，应力消除。费用低，但时间太长，效率低，近代很少采用。•3．共振法•将铸件在共振条件下振动10-15min，以达到消除铸件中残余应力的目的。•该法与热处理法相比，设备费用低，花费的时间少，易于操作，而且无氧化皮，不受工件大小尺寸的限制，也不会由于热处理规范不当而产生新的内应力或裂纹。20/54第二节变形•当工件的形状尺寸发生变化与图样不符合时，说明工件发生了变形。若为铸造所致，被称为铸造变形。•当工件在某一温度下所承受的应力大于该温度下材料的屈服强度时，工件就会发生变形，以减小内应力，趋于稳定状态。等待工件完全冷却后，遗留下的变形被称为残余变形。•一、变形的种类•(一)整体变形整体变形是指整个结构形状和尺寸发生变化，它是由各个方向收缩而引起的。21/54例：厚薄不均的T字型梁的弯曲变形•因壁薄部分的冷却较快，壁厚部分的冷却较慢，处于不稳定状态。达到平衡态时，导致变形的方向为厚的部分向内凹，薄的部分向外凸，如图中虚线所示。22/54•上图中I杆厚，Ⅱ杆薄：当两者温度都低于弹性温度时，由于Ⅱ杆比I杆先冷，所以，当I杆冷至室温后，I杆的收缩受到Ⅱ杆的限制，而承受拉伸应力，Ⅱ杆承受压缩应力。故在长度方向，I杆向下凹，而杆Ⅱ向下凸。23/54•下图中I杆薄，Ⅱ杆厚：其原理如上述，只是I杆与Ⅱ杆的关系相对换。从而，I杆受到压应力，向上凸，Ⅱ杆受到拉应力，向上凹。24/54例：机床床身的变形•由于机床床身的导轨面较厚，而侧壁较薄，截面形态如图a上图的状态。所以，其变形方向是向下凹。25/54例：厚薄均匀的平板铸件•由于平板中心部分比四周冷却得慢，以致中心部分产生拉应力(四周约束，无法收缩)，而四周产生压应力（因受向心力而互相挤压）。•当平板上下两面存在温差时，就可能产生弯曲变形。通常上面的导热差，冷到室温的时间较长（收缩时下面不随着变化），因此平板的变形呈向下凹（从上边看）的形态。26/54例：带轮铸件的波浪变形•(二)局部变形•局部变形是指结构的某些部分发生的变形。•带轮的特点是轮缘和轮辐比轮毂薄，当轮毂进入弹性状态时，其收缩受到轮缘和轮辐的阻碍，所以轮毂受拉应力，轮缘受压应力，轮辐亦受拉应力。27/54二、影响变形的因素•(一)金属材料的热物理性能•金属材料的热物理性能对变形有一定的影响。•1、材料的线胀系数越大，则产生的塑性变形越大。冷却后，纵向和横向的收缩也越大。如：不锈钢的线胀系数比低碳钢大，因而变形也大。•2、导热性好的金属，如铝及其合金，因其线胀系数大，且在高温时的强度较低，变形也大。28/54•(二)工艺因素在铸造中，用来制作木模的木料未干燥，或重新吸收水分，以致木模产生变形，从而导致砂型和铸件产生变形。模型的刚度不足或强度不够、模型放置在不平的底板上、上下砂型夹紧不良等均能导致铸件的变形。29/54三、防止或减少变形的方法•(一)结构设计方面•结构的设计不仅需要考虑强度、刚度和稳定性，而且还需要考虑制造工艺。•在铸件的结构设计中，可以采用局部加厚、设置拉肋等方法来减小铸件变形。如带轮的轮缘厚度比轮毂薄，冷却后容易向内凹，导致加工余量不足。为此可以在轮缘与轮毂连接处的外圆，进行局部加厚。30/54•铸件的法兰部分因收缩受到砂芯或砂型的阻碍而变形，因而可以在该处设置拉肋，阻止法兰变形。31/54•(二)工艺方面•1、反变形法——最常用的方法•反变形法就是根据结构件变形的情况，预先给出一个方向相反、大小相等的变形，用来抵消结构件在加工过程中产生的变形，使加工后的结构件符合设计要求。反变形的尺寸、形态应根据实测或经验来确定。•机床床身的铸造中，为防止其变形，采用如图所示的反变形，床身的模样要分成两段，造型时导轨面向下，浇注出的铸件如图中实线所示。32/54•2、合理的工艺•（1）加压铁浇注前，可将压铁放在砂箱上，以防止铸件的弯曲变形。原理：砂箱内铁液充填时出现浮力，将上砂箱上抬，压铁通过铁垫对浮力产生压力。这样，既可避免砂箱上抬时跑铁液，同时也能防止铸件的变形。33/54•（2）控制铸件出型时间若出型过早，由于温度高，遇风后各部分的温差会加剧，而导致变形量增加。若铸件早出型后立即退火，使铸件缓慢冷却，就可减小变形量。•（3）对于半圆形的铸件可将两个铸件连在一起浇注，使柔性结构变为刚性结构，以防止铸件的变形。34/54第三节裂纹•一、裂纹的种类•在铸件中，可能出现各种各样的裂纹。•根据裂纹出现的位置可分为表面裂纹和内部裂纹；•按裂纹出现的温度范围可分为热裂纹和冷裂纹等。•二、热裂纹液态成形过程中，在高温阶段产生的开裂现象，多在固相线附近发生，故称为“热裂纹”。35/54•(一)热裂纹的形成条件及其特征•1．热裂纹的形成条件热裂纹具有高温断裂的性质。条件：高温阶段晶间的延性或塑性变形能力不足以承受当时应力所产生的应变量。在金属凝固过程中，存在一个“脆性温度区”，它具有最低的延性，受力时易于产生热裂纹。36/54•2．热裂纹的特征（1）裂口外观形状曲折而不规则；（2）裂口有明显的氧化色彩；（3）裂口沿晶粒边界通过。37/54(二)热裂纹的形成机理•1、强度理论金属在固相线上下温度范围内延伸率极低，金属呈脆性断裂，把该温度区间定义为“脆性温度区”。热裂就是在脆性区内形成的。脆性区愈大，金属处于低塑性时间愈长，热裂越易形成。铸件凝固时如能自由收缩，不受外部和内部阻力，即使强度低也不会形成热裂。铸件凝固收缩时往往受各种阻力，使铸件内部产生应力。如果应力超过金属在该温度的强度，即产生热裂。38/54•2、液膜理论当