铸造应力、变形及裂纹

  铸件完全凝固后便进入了固态收缩阶段，若铸件的固态收缩受到阻碍，将在铸件内部产生应力，称为铸造应力。它是铸件产生变形和裂纹的基本原因。

1． 铸造应力的形成

按照应力产生的原因，将铸造应力分为热应力和机械应力两种。

（1)热应力

热应力是由于铸件壁厚不均或各部分冷却速度不同，使铸件各部分的收缩不同步而引起的。它在铸件落砂后仍然存在于铸件内部，是一种残留应力。

1）残留热应力的形成

现以框形铸件为例，分析残留热应力的形成过程。如图3.12中 1) 图所示的框形铸件，由一根粗杆I和两根细杆II组成。假设铸件完全凝固后，两杆从同一温度T固开始冷却，最后达到同一温度T0，两杆的固态冷却曲线如图3.12中2) 图所示。Tk 为临界温度，在此温度以上铸件处于塑性状态。在此状态下，较小的应力可使铸件发生塑性变形，变形之后应力可自行消除；在Tk温度以下，铸件处于弹性状态，在应力作用下将产生弹性变形，变形之后应力还继续存在。

框形铸件热应力形成过程

下面用图3.12中图2)所示的冷却曲线来分析热应力的形成过程。当铸件处于高温阶段（t0-t1）时，两杆都处于塑性状态，尽管此时两杆的冷速不同、收缩也不同步，但瞬时的应力可通过塑性变形来自行消失，在铸件内无应力产生；继续冷却，冷速较快的杆II进入弹性状态，粗杆I仍然处于塑性状态（t1-t2），此时由于细杆II的冷速较快、收缩较大，所以细杆II会受到拉伸，粗杆I会受到压缩（图b），形成暂时内应力，但此内应力很快因粗杆I发生了微量的受压塑性变形而自行消失（图c）；当进一步冷至更低温度时（t2-t3），两杆均进入了弹性状态，此时由于两杆的温度不同、冷却速度也不同，所以二者的收缩也不同步，粗杆I的温度较高，还要进行较大的收缩，细杆II的温度较低，收缩已趋于停止，因此粗杆I的收缩必定受到细杆II的阻碍，使其收缩不彻底，在部产生拉应力；而杆II则受到杆I因收缩而施与的压应力（图d）。直到室温，残留热应力一直存在。

总之，铸件壁厚不均或各部分冷却速度不同使铸件的厚壁处或心部受拉应力、薄壁或表层受压应力，且随着铸件壁厚差的增大、各部分冷却速度差的不同、铸造合金线收缩率的提高、以及其弹性模量的增大，铸件的热应力增大。