铸件热应力的形成原因分析

铸件在冷却过程中，因各部分冷却不均匀而形成的应力，称为热应力。

下面以应力框为例，说明热应力的形成过程。应力框如图1-10a所示。应力框是这样的结构：三根长度相等的竖杆，其中，中间的竖杆截面较粗，两侧竖杆的截面较细，用上下两根相同的横杆连结成一个框形体。现以应力框铸件为例说明热应力形成的过程。

如图1-10b左图所示，假若粗杆和细杆下端没有横杆连着，并且开始固态收缩时的温度相同，则三根竖杆可自由收缩。由于粗杆冷却较慢，经过一定时间冷却后，粗杆的收缩量比细杆少，即收缩后的长度是粗杆长而细杆短。实际上，三根杆的下面有横杆连着，三根杆要保持长度一致，结果只能是粗杆比自由收缩的长度要短些（压短），细杆比自由收缩的长度要长一些（拉长），如图1-10b右图所示。当应力框在临界温度以上金属处于塑性状态，细杆因拉长和粗杆因压短所形成的应力能自动消除，铸件内不存在应力。

图1-10 热应力形成过程(www.xing528.com)

a）应力框 b）左为塑性状态下自由收缩，右为塑性状态应力框 c）左为弹性状态下自由收缩，右为弹性状态应力框 d）抗拉能力小于抗压能力，粗杆拉断

如图1-10c左图所示，当粗杆冷却到临界温度以下，进入弹性状态，此刻的细杆已冷至较低温度，甚至已达到常温不再收缩，而粗杆还要继续冷却收缩。如果下端没有横杆相连，粗杆能自由收缩，则粗杆比细杆短。实际上，下端有横杆相连，三根杆要保持长度一致，结果只能是粗杆拉长一些而细杆压短一些。由于都处于弹性状态，粗杆拉长和细杆压短所形成的应力已不能自由消除，便以残余应力存在于铸件中。

由于金属的抗拉能力小于抗压能力，在这种情况下，就可能使中间粗杆拉断，如图1-10d所示（由于裂纹是在较低的温度下产生，所以也叫冷裂）。

可见，热应力是铸件各部分冷却快慢不一致造成的；各部分温差越大，热应力也越大；冷却较慢的部分形成拉应力，冷却较快的部分形成压应力；一切使铸件冷却均匀的措施，都有利于减小热应力。