如何处理铸造残余应力

铸件在凝固后的冷却过程中，应力按其形成原因可分为热应力、相变应力和机械阻碍应力三种。

热应力：由于铸铁件和各部分在冷却过程中的冷却速度不同，造成各部分的收缩量不同，但铸件各部分连为一个整体，彼此间互相制约而产生应力。可见，铸造热应力产生原因与热处理过程中的热应力产生原因完全类似，完全可以用分析淬火热应力的模型进行分析。

根据热应力产生的原因，可以推出铸造过程中由于铸件本身结构的影响，各个部位间会产生残余应力。因为铸件形状是复杂的，尺寸薄的部位冷却快，尺寸厚的部位冷却慢，所以在热应力作用下构成铸件内的残余应力。其大小与铸件厚壁部分由塑性状态转变为弹性状态时，厚薄两部分的温度差成正比，即铸件的壁厚差越大，残余热应力也越大。并且认为这种结构尺寸变化会引起额外应力，往往成为铸造残余应力的主要来源。凡能促使铸件同时凝固及减缓冷却速度的因素，都能减小铸件中的残余热应力。

【例2-6】　一个铸件的形状如图 2-23 所示，分析冷却后由于热应力的作用，在铸件A区域与B 区域产生的残余应力是拉应力？还是压应力？

图2-23　铸件间尺寸不同产生的残余应力

分析：

从铸件的结构可见，铸件的两个外侧A 区域，受到冷却的面积大，冷却速度一定快。而中间部分B 区域，受到冷却的面积小，冷却速度要慢。所以A 区域相当2.3.1 节分析淬火热应力圆柱模型的表面区域，而B 区域相当圆柱模型的心部区域。根据淬火热应力残余应力形成规律，可以推测出：冷却到室温后A 区域受到压应力，B 区域受到拉应力。

相变应力：铸件各部分在冷却过程中发生固态相变的时间和程度不同，使体积和长度的变化也不一样，而各部分之间又互相制约，由此而引起相变应力。对于灰铸铁件来说，当铸件的某一部分冷却到共析温度以下时，奥氏体转变为铁素体及高碳相（石墨或渗碳体）。由于共析石墨化而使铸件某部分产生一定的膨胀，如铸件各部分温度不一致，相变不同时发生，就会产生相变应力。可见，此处的相变应力与淬火组织应力也有类似之处。所不同之处是：在淬火过程中产生膨胀的组织是马氏体，而铸造过程中产生膨胀的组织是石墨。灰铸铁件粗厚部分的石墨化程度比细薄部分更充分些，因此薄部分受拉应力，而厚部分受压应力。

机械阻碍应力：铸铁件冷却到弹性状态后，由于收缩受到机械阻碍而产生机械阻碍应力。它可表现为拉应力或切应力。当机械阻碍一经消除，应力也随之消失，所以它是一种临时应力。(www.xing528.com)

铸造应力是热应力、相变应力和机械应力三者的代数和。铸铁件不同部位上的三种应力见表2-12。

各种铸铁的铸造应力见表2-13。灰铸铁的铸造应力最小，球墨铸铁最大，蠕墨铸铁的铸造应力在两者之间。

表2-12　铸铁件不同部位上的三种应力

注：“＋σ”表示拉应力；“－σ”表示压应力。

表2-13　各种铸铁的铸造应力

减小铸铁件中的铸造应力，可使经机械加工后的铸件具有较好的尺寸稳定性和精度的持久性。主要应设法减小铸铁件在冷却过程中各部分的温度差。实现同时凝固原则；改善铸型和型芯退让性；适当增加铸铁件在型内的冷却时间，以免扩大各部分的温差。

形状比较复杂、尺寸稳定性要求较高的铸铁件应用人工加热时效、振动时效或自然时效的方法来降低铸造应力。最终残余应力的大小，除与时效工艺有关外，在较大程度上取决于铸铁件原始残余应力的大小，即如果铸铁件中原始残余应力很大，即使经过时效处理，铸铁件中也仍有较大的残余应力。因此，减小铸造应力的最根本的办法是应使铸铁件在弹塑性转变的冷却过程中，尽可能少产生应力。