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Q235NH耐候钢板铸造应力、铸件的变形与裂纹原因

2019-10-23 16:15:13字体:
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  Q235NH耐候钢板铸造应力、铸件的变形与裂纹原因

  (1)铸造应力

  按产生的原因不同,铸造应力主要分为热应力和收缩应力两种。

  ①热应力铸件在凝固和冷却过程中,不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力,称热应力。在这里讨论的热应力,主要是指铸件在冷却过程中,由于温度不同而引起不均衡收缩所产生的应力。

  现以图1- 1-13所示的框形铸件来说明热应力的形成过程。该铸件由一根粗杆工和两根细杆Ⅱ组成,图1—1-13上部表示杆I和杆Ⅱ的冷却曲线,T临表示金属弹塑性临界温度。当铸件处于高温阶段时,t0~t1间两杆均处于塑性状态。尽管杆工和杆Ⅱ的冷却速度不同,收缩不一致,但两杆都是塑性变形,不产生内应力。

  继续冷却到t1~t2间,此时杆Ⅱ温度较低,已进入弹性状态,但杆I仍处于塑性状态。杆Ⅱ由于冷却快,收缩大于杆工,在横杆的作用下将对杆工产生压应力而杆I反过来对杆Ⅱ施以拉应力,见图(b)。

  处于塑性状态的杆I受压应力作用产生压缩塑性变形,使杆工、Ⅱ的收缩趋于一致,此时不产生应力,见图(c)。当进一步冷却至t2~t3间,杆工和杆Ⅱ均进入弹性状态,此时杆I温度较高,冷却时还将产生较大收缩,杆Ⅱ温度较低,收缩已趋停止,在最后阶段冷却时,杆工的收缩将受到杆Ⅱ的强烈阻碍,因此杆I受拉应力,杆Ⅱ受压应力。到室温时形成残余应力,见图(d)。

  Q235NH耐候钢板热应力的形成过程

  热应力使冷却较慢的厚壁处受拉伸,冷却较快的薄壁处或表面受压缩,铸件的壁厚差别愈大,合金的线收缩率或弹性模量愈大,热应力愈大。定向凝固时,由于铸件各部分冷却速度不一致,产生的热应力较大,铸件易出现变形和裂纹,故采用时应考虑此因素。

  ②收缩应力铸件在固态收缩时,因受铸型、型芯、浇冒口等外力的阻碍而产生的应力称收缩应力。一般铸件冷却到弹性状态后,由于收缩受阻都会产生收缩应力。收缩应力常表现为拉应力,与铸件部位无关。其形成原因一经消除(如铸件落砂或去除浇口后),收缩应力也随之消失,因此收缩应力是一种临时应力。但在落砂前,如果铸件的收缩应力和热应力共同作用,其瞬间应力大于铸件的抗拉强度时,铸件会产生裂纹,如图1- 1-14所示。

  图1-1-14铸件产生收缩应力示意图

图1-1-14铸件产生收缩应力示意图

  ③减小和消除铸造应力的措施

  a)合理地设计铸件结构铸件的形状愈复杂,各部分壁厚相差愈大,冷却时温度愈不均匀,铸造应力就愈大。因此,在设计铸件时应尽量使铸件形状简单、对称且壁厚均匀。

  b)尽量选用线收缩率小、弹性模量小的合金。

  c)采用同时凝固工艺所谓同时凝同是指采取一些工艺措施,使铸件各部分温差很小,几乎同时进行凝固(图1- 1-15)。由于各部分温差小,不易产生热应力和热裂,因此铸件变形小。

  图1-1-15 同时凝固示意图

  d)设法改善铸型、型芯的退让性,合理设置浇冒口等。

  e)对铸件进行时效处理是消除铸造应力的有效措施。时效分自然时效、热时效和共振时效等。所谓自然时效,是将铸件置于露天场地半年以上,让其内应力消除。热时效(人工时效)又称去应力退火,是将铸件加热到550~650℃,保温2~4 h,随炉冷却至150~200℃,然后出炉。共振时效是将铸件在其共振频率下震动10~60 min,以消除铸件中的残留应力。

  (2)铸件的变形与防止

  如前所述,在热应力的作用下,铸件薄的部分受压应力,厚的部分受拉应力,但铸件总是力图通过变形来减缓其内应力。因此,铸件常发生不同程度的变形。图1- 1- 16为车床床身,其导轨部分因较厚而受拉应力,床壁部分因较薄而受压应力。其变形结果为导轨面向下凹。

  图1-1-16床身导轨面挠曲变形图

图1-1-16床身导轨面挠曲变形图

  图1-1-17为平板铸件,其中心部分比边缘部分散热慢,受拉应力,边缘受压应力,而铸型的上部比下部冷却快,于是平板发生如图所示的变形。铸件的变形往往使铸件精度降低,严重时使铸件报废,应予防止。因铸件变形是由铸造应力引起,前面介绍的减小和防止铸造应力的办法是防止铸件变形的有效措施。此外,生产中也常采用反变形法防止铸件的变形。对于图1-1-16的床身铸件,预先将模样做成与铸件变形方向相反的形状,使模样的预变形量(反挠度)与铸件的变形量相等,待铸件冷却后变形正好抵消。

  图1-1-17平板铸件变形图

图1-1-17平板铸件变形图

  (3)铸件的裂纹与防止

  当铸造内应力超过金属的强度极限时,铸件便产生裂纹。裂纹是严重的铸造缺陷,必须设法防止。按形成的温度范围,裂纹分为热裂和冷裂两种。

  ①热裂热裂一般是在凝固末期,金属处于固相线附近的高温时形成的。其形状特征是裂缝短,缝隙宽,形状曲折,缝内呈氧化颜色。铸件结构不合理,合金收缩率大,型(芯)砂退让性差以及铸造工艺不合理等均可引发热裂。钢和铁中的硫、磷降低了钢和铁的韧性,使热裂倾向增大。因此,合理地调整合金成分(尤其严格控制钢和铁中的硫、磷含量),合理地设计铸件结构,采用同时凝固的原则和改善型(芯)砂的退让性,都是防止热裂的有效措施。

  ②冷裂冷裂是铸件冷却到低温处于弹性状态时所产生的热应力和收缩应力的总和,若其大于该温度下合金的强度,则产生冷裂。冷裂是在较低温度下形成的,其裂缝细小,呈连续直线状,缝内干净,有时呈轻微氧化色。

  壁厚差别大、形状复杂的铸件,尤其是大而薄的铸件易于发生冷裂。凡是可以减小铸造内应力或降低合金脆性的措施,都能防止冷裂的形成。例如,钢和铸铁中的磷能大大降低合金的冲击韧性,增加脆性,容易产生冷裂倾向,因此在金属熔炼中必须严格加以限制。

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