铸件冷却时的相变应力问题

铸件在冷却过程中有的要经历合金的固态相变，相变时金属的比容发生变化，例如碳钢由δ相向γ相转变时体积缩小，γ相发生共析转变时，体积增大。灰铸铁和球墨铸铁的共析转变和可锻铸铁进行石墨化退火时，体积也增大。钢、铁的各种金相组织的密度和比容如表11-9所列。

假如铸件各部分温度一致，固态相变同时发生，则不可能产生宏观应力，而只能有微观应力。当相变温度高于塑—弹性转变的临界温度t K时，相变时合金处于塑性状态，即使铸件的各部分有温差存在，所产生的相变应力也不大，并会逐渐减小（松弛）乃至消失；若铸件相变温度低于t K、而且铸件各部分温差较大，各部分相变时间不同时，则会引起宏观相变应力。由于相变时间不同，相变应力可能成为临时应力或残余应力。

表11-9　钢、铁中金相组织的密度和比容

（一）有残余相变应力的情况(www.xing528.com)

铸件薄壁（或外层）部分发生固态相变时，厚壁部分（或铸件内层）还处于塑性状态，若相变时新相的比容大于旧相的比容，则相变时薄壁（外层）部分膨胀，而厚壁（内层）部分受到塑性拉伸，结果铸件内层只产生很小的拉应力，且随时间延长而逐渐消失。铸件继续冷却，厚壁（或内层）部分发生相变而增大体积，由于已处于弹性状态，薄壁（外层）部分将被内层弹性拉伸，而形成拉应力。而厚壁部分（内层）被外层弹性压缩而形成压应力。在这种条件下，残余相变应力和残余热应力符号相反，可以互相抵消。

（二）有临时相变应力的情况

当铸件薄壁（或外层）部分发生固态相变时，厚壁（或内层）部分已处于弹性状态，若新相比容大于旧相，则厚壁部分受弹性拉伸形成相变拉应力，而薄壁部分被弹性压缩形成临时压应力。这时，相变应力符号和热应力符号相同，即应力叠加。铸件继续冷却至厚壁部分发生相变时，比容增大发生膨胀，使前一段所形成的相变应力消失。

由此可见，具有固态相变的合金，当新、旧相比容差别大，且相变应力符号和热应力符号相同时，两种应力叠加的结果，可能导致铸件开裂、变形。所以，无论是临时相变应力还是残余相变应力都应注意研究，尽量消除有害影响。