第12章应力变形及裂纹.pptx
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1、1/54材料成形原理材料成形原理材料成型与控制专业材料成型与控制专业第十二章第十二章 应力、变形及裂纹应力、变形及裂纹 2/541、概念:、概念:内内应应力力:热热加加工工中中,工工件件因因经经历历加加热热与与冷冷却却过过程程,伴伴随随热热胀胀冷冷缩缩现现象象。某某些些合合金金发发生生相相变变,也也引引起起收收缩缩和和膨膨胀胀。从从而而使使工工件件体体积积和和形形态态都都发发生生变变化化。若若该该变变化化受受阻阻碍碍,便便在在工工件件中中产产生生应力应力,称为内应力。,称为内应力。铸造应力铸造应力:内应力在铸造中称为铸造应力。:内应力在铸造中称为铸造应力。瞬瞬时时应应力力:在在加加热热冷冷却却
2、过过程程中中形形成成的的应应力力称称为为瞬时应力。瞬时应力。残残余余应应力力:完完全全冷冷却却后后残残存存在在工工件件中中的的应应力力,称为残余应力。称为残余应力。3/542、内应力对工件或结构的质量的影响、内应力对工件或结构的质量的影响(1)应应力力值值超超过过金金属属屈屈服服极极限限时时,工工件件发发生生塑塑性性变变形形尺寸、形状发生变化;尺寸、形状发生变化;(2)应力值超过金属强度极限时,工件产生裂纹;)应力值超过金属强度极限时,工件产生裂纹;(3)应力值低于金属弹性极限时,以残余应力存在。)应力值低于金属弹性极限时,以残余应力存在。3、残余应力对构件承载能力的影响、残余应力对构件承载能
3、力的影响 当当载载荷荷作作用用方方向向与与构构件件内内应应力力方方向向一一致致时时,在在内内外外应应力力共共同同作作用用下下超超出出强强度度极极限限导导致致局局部部或或整体断裂;整体断裂;在腐蚀介质中,还会出现应力腐蚀开裂现象。在腐蚀介质中,还会出现应力腐蚀开裂现象。4/54第一节第一节 内应力内应力 内内应应力力按按产产生生原原因因分分:热热应应力力、相相变变应应力力和和机机械械阻碍应力阻碍应力。(一)热应力(一)热应力 工工件件在在受受热热及及冷冷却却过过程程中中,由由于于各各部部分分温温度度不不同同、冷冷却却速速度度不不同同造造成成工工件件上上同同一一时时刻刻各各部部分分收收缩缩(或或膨
4、膨胀胀)量量不不同同,从从而而导导致致内内部部彼彼此此相相互互制制约约而而产产生生应应力力。由由于于是是由由热热胀胀冷冷缩缩引引起起,故故称称为为热应力热应力。5/54例:金属框例:金属框若若整整体体均均匀匀加加热热和和均均匀匀冷冷却却,不会产生应力;不会产生应力;若若只只加加热热中中心心杆杆温温度度上上升升、发发生生伸伸长长但但会会受受两两侧侧杆杆的的阻阻碍碍受受压压缩缩力力作作用用;两两侧侧杆杆受受中中心心杆杆作作用用受受拉伸力作用。拉伸力作用。若若热热应应力力较较小小,低低于于材材料料的的屈屈服服强强度度框框架架内内不不产产生生塑塑性性变变形形温温度度均均匀匀化化后后热应力消失。热应力消
5、失。6/54例:金属框例:金属框若热应力较大若热应力较大,超过材料,超过材料的屈服强度的屈服强度中心杆产中心杆产生生压缩塑性变形压缩塑性变形。当温度。当温度下降到原始状态时,若中下降到原始状态时,若中心杆能自由收缩,长度必心杆能自由收缩,长度必然比原来的短,缩短量就然比原来的短,缩短量就是压缩塑性变形量;实际是压缩塑性变形量;实际上,受两侧杆阻碍,中心上,受两侧杆阻碍,中心杆不能自由收缩杆不能自由收缩中心中心杆受拉应力、两侧杆受压杆受拉应力、两侧杆受压应力应力形成新的内应力形成新的内应力体系体系残余应力。残余应力。7/54 热应力的表达式:热应力的表达式:式式中中,T温温度度增增量量;E为为弹
6、弹性性模模量量,常常量量;为为线膨胀系数,常量。线膨胀系数,常量。(二)铸件内的应力与变形(二)铸件内的应力与变形 铸铸件件在在凝凝固固后后的的冷冷却却过过程程中中,由由于于各各部部分分冷冷速速不不一一致致,引引起起收收缩缩量量不不同同,因因各各部部分分彼彼此此相相联联、互互相相制制约,产生热应力。约,产生热应力。8/54例:厚度不均匀的例:厚度不均匀的T字梁字梁 铸件由杆铸件由杆和杆和杆组成,杆组成,杆较厚,杆较厚,杆较薄。较薄。假设假设:(1)杆杆和和杆杆从从同同一一温温度度T TH H开开始冷却,最后冷却到始冷却,最后冷却到T T0 0;(2)Tk温温度度以以上上,合合金金塑塑性性状状态
7、态;Tk温度以下弹性变形;温度以下弹性变形;(3)冷冷却却过过程程中中不不发发生生固固态态相相变变,且铸件收缩不受铸型阻碍;且铸件收缩不受铸型阻碍;(4)材料线胀系数和弹性模量为)材料线胀系数和弹性模量为常数,不随温度变化。常数,不随温度变化。9/54杆杆和杆和杆的冷却曲线的冷却曲线 杆杆较厚,冷却前较厚,冷却前期杆期杆冷速比杆冷速比杆小;小;因两杆温度最终相同,因两杆温度最终相同,冷却后期杆冷却后期杆冷速比杆冷速比杆大。大。10/54杆杆和杆和杆的收缩率曲线的收缩率曲线 由于铸件自由收缩由于铸件自由收缩率与温度成正比,故该率与温度成正比,故该曲线外形与冷却曲线一曲线外形与冷却曲线一致。虚线致
8、。虚线C C0 0C C1 1C C2 2C C3 3为两为两杆联在一起收缩后的曲杆联在一起收缩后的曲线。线。11/54 在在时时间间t t0 0t t1 1内内,T T、T T T Tk k,杆杆和和杆杆均均处处于于塑塑性性状状态态。杆杆被被塑塑性性压压缩缩,杆杆被被塑塑性性拉伸。拉伸。铸件不产生热应力铸件不产生热应力。在在 时时 间间 t t1 1t t2 2内内,T T T Tk k、T T T Tk k,杆杆仍仍处处于于塑塑性性状状态态,杆杆处处于于弹弹性性状状态态。铸铸件件收收缩缩由由变变形形困困难难的的杆杆决决定定,杆杆处处于于塑塑性性状状态态对对杆杆无无阻阻力力。铸件仍不产生热应
9、力铸件仍不产生热应力。12/54 在时间在时间t t2 2t t3 3内,内,T T T Tk k、T T T Tk k,两杆均两杆均处处于弹性状态。但杆于弹性状态。但杆温度温度高于高于杆杆温度,杆温度,杆收缩收缩比比杆杆严重,所以严重,所以杆杆被被弹性拉伸弹性拉伸拉应力,拉应力,杆杆被弹性压缩被弹性压缩压应力压应力。故常温时存在残余应力。故常温时存在残余应力。13/54(三)相变应力(三)相变应力 具具有有相相变变的的合合金金,各各部部分分发发生生相相变变先先后后及及程程度度不不同同,产产生生的的应应力力称称为为相变应力相变应力。分析厚壁铸件中的相变应力时,分两种情况:分析厚壁铸件中的相变应
10、力时,分两种情况:(1)在在冷冷却却过过程程中中,当当铸铸件件内内层层处处于于塑塑性性状状态态时时,外外层层已已经经开开始始发发生生相相变变。如如析析出出新新相相体体积积大大于于旧旧相相,则则铸铸件件外外层层发发生生膨膨胀胀,内内层层塑塑性性变变形形,铸件铸件不会产生相变应力不会产生相变应力。铸铸件件继继续续冷冷却却,内内层层也也达达到到弹弹性性状状态态,产产生生体体积积膨膨胀胀的的相相变变外外层层发发生生弹弹性性拉拉伸伸拉拉应应力力;内内层层弹弹性性压压缩缩压压应应力力。内内层层相相变变应应力力与热应力符号相反(内层温度高,收缩严重,被外层阻碍与热应力符号相反(内层温度高,收缩严重,被外层阻
11、碍拉应力)。拉应力)。(2)外外层层发发生生相相变变时时,内内层层处处于于弹弹性性状状态态,但但内内层层不不发发生生相相变变相相当当于于表表面面淬淬火火处处理理。外外层层发发生生相相变变产产生生体体积积膨膨胀胀受受内内层层制制约约压压应应力力,内内层层拉拉应应力力。内内层层因因外外层层相相变变产产生生的的应应力力与与热热应应力力符符号号相相同同(外层激冷,温度低,内层相对温度高,继续冷却,内层拉应力)。(外层激冷,温度低,内层相对温度高,继续冷却,内层拉应力)。14/54(四)机械阻碍应力(四)机械阻碍应力 工件冷却过程中产生的收缩,受到外界的阻碍而产生的工件冷却过程中产生的收缩,受到外界的阻
12、碍而产生的应力称为应力称为机械阻碍应力机械阻碍应力。1、机械阻碍的来源:机械阻碍的来源:(1)铸型和型芯有较)铸型和型芯有较高的强度高的强度和较和较低的退让性低的退让性。(2)砂箱内的)砂箱内的箱档箱档和型芯内的和型芯内的芯骨芯骨。(3)设置在铸件上的)设置在铸件上的拉杆、防裂肋拉杆、防裂肋、分型面上的铸件、分型面上的铸件飞飞边边。(4)浇冒口系统浇冒口系统以及铸件上的一些以及铸件上的一些突出部分突出部分。2、机械阻碍应力的影响:、机械阻碍应力的影响:(1)机械阻碍应力可使工件产生拉伸或剪切应力。)机械阻碍应力可使工件产生拉伸或剪切应力。(2)若应力是在弹性范围内,当阻碍消除后,则应力消)若应
13、力是在弹性范围内,当阻碍消除后,则应力消失。失。(3)但是当阻碍应力与其它应力同时作用且方向一致时,)但是当阻碍应力与其它应力同时作用且方向一致时,则会促使内应力加剧,甚至导致工件中出现裂纹。则会促使内应力加剧,甚至导致工件中出现裂纹。15/54 综综上上所所述述,铸铸件件内内的的应应力力是是热热应应力力、相相变变应应力力及及机机械械阻阻碍碍应应力力的的总总和和,在在冷冷却却过过程程中中的的某某一一瞬瞬时时,当当局局部部应应力力的的总总和和大大于于金金属属在在该该温温度度下下的的强强度度极极限限时时,工工件件就就会产生裂纹。会产生裂纹。工工件件中中的的残残余余应应力力并并非非是是永永久久性性的
14、的。经经过过热热处处理理,即即在在一一定定温温度度下下经经过过一一定定时时间间后后,工工件件内内各各部部分分应应力力会会重重新新分分配配或或消消失。失。16/54三、减小或消除应力的途径三、减小或消除应力的途径(一)合理的结构设计(一)合理的结构设计1、铸件的壁厚差要尽量减小;、铸件的壁厚差要尽量减小;2、厚薄壁连接处要圆滑过渡。、厚薄壁连接处要圆滑过渡。3、铸件厚壁处砂层要减薄(加大冷速),或放置冷铁;、铸件厚壁处砂层要减薄(加大冷速),或放置冷铁;4、合理设计浇冒口,尽量使铸件各部分温度均匀。、合理设计浇冒口,尽量使铸件各部分温度均匀。17/54(二)选择合理的工艺及采用必要的措施(二)选
15、择合理的工艺及采用必要的措施1 1、浇浇注注铸铸件件时时,在在满满足足使使用用要要求求的的前前提提下下,应应选选择择弹弹性模量和收缩系数小的材料性模量和收缩系数小的材料;2 2、提高铸型的预热温度提高铸型的预热温度有利于减小铸件各部分的温差;有利于减小铸件各部分的温差;3 3、采采用用较较细细的的面面砂砂和和涂涂料料,可可减减小小铸铸件件表表面面的的摩摩擦擦阻阻力;力;4 4、控控制制铸铸型型和和型型芯芯的的紧紧实实度度、加加木木屑屑、焦焦炭炭等等可可提提高高铸型及型芯的退让性;铸型及型芯的退让性;5、控制铸件在型内的冷却时间控制铸件在型内的冷却时间,不能打箱过早,但为,不能打箱过早,但为了减
16、小铸型和型芯的阻力,也不能打箱过迟。了减小铸型和型芯的阻力,也不能打箱过迟。18/54(三三)残余应力的消除残余应力的消除1 1热处理法热处理法最常用的方法最常用的方法 将将工工件件加加热热到到塑塑性性状状态态的的温温度度,并并在在此此温温度度下下保保温温一一段段时时间间,利利用用蠕蠕变变产产生生新新的的塑塑性性变变形形,使使应应力力消消除除。再再缓缓慢慢冷冷却却,使使厚厚、薄薄部部位位的的温温度度均均匀匀,而而不不重重新出现应力。新出现应力。加加热热温温度度和和保保温温时时间间,需需根根据据材材料料的的性性质质、工工件件的结构以及冷却条件而定。的结构以及冷却条件而定。19/542 2自然时效
17、法自然时效法 将将有有残残余余应应力力的的铸铸件件放放置置在在露露天天场场地地,经经数数月月乃乃至至半年时间以上半年时间以上,应力慢慢自然消失。,应力慢慢自然消失。特特点点:长长时时间间受受不不断断变变化化温温度度作作用用,晶晶格格畸畸变变恢恢复复,铸铸件件变变形形,应应力力消消除除。费费用用低低,但但时时间间太太长长,效效率率低低,近代近代很少采用很少采用。3 3共振法共振法 将将铸铸件件在在共共振振条条件件下下振振动动10-15min10-15min,以以达达到到消消除除铸铸件中残余应力的目的。件中残余应力的目的。该该法法与与热热处处理理法法相相比比,设设备备费费用用低低,花花费费的的时时
18、间间少少,易易于于操操作作,而而且且无无氧氧化化皮皮,不不受受工工件件大大小小尺尺寸寸的的限限制制,也也不会由于热处理规范不当而产生新的内应力或裂纹不会由于热处理规范不当而产生新的内应力或裂纹。20/54第二节第二节 变形变形 当当工工件件的的形形状状尺尺寸寸发发生生变变化化与与图图样样不不符符合合时时,说说明明工工件发生了变形。若为铸造所致,被称为件发生了变形。若为铸造所致,被称为铸造变形铸造变形。当当工工件件在在某某一一温温度度下下所所承承受受的的应应力力大大于于该该温温度度下下材材料料的的屈屈服服强强度度时时,工工件件就就会会发发生生变变形形,以以减减小小内内应应力力,趋趋于于稳稳定定状
19、状态态。等等待待工工件件完完全全冷冷却却后后,遗遗留留下下的的变变形形被被称称为为残残余变形余变形。一、变形的种类一、变形的种类(一一)整体变形整体变形 整整体体变变形形是是指指整整个个结结构构形形状状和和尺尺寸寸发发生生变变化化,它它是是由由各个方向收缩而引起的。各个方向收缩而引起的。21/54例:厚薄不均的例:厚薄不均的T字型梁的弯曲变形字型梁的弯曲变形 因壁薄部分的冷因壁薄部分的冷却较快,壁厚部分的却较快,壁厚部分的冷却较慢,处于不稳冷却较慢,处于不稳定状态。达到平衡态定状态。达到平衡态时,导致变形的方向时,导致变形的方向为厚的部分向内凹,为厚的部分向内凹,薄的部分向外凸,如薄的部分向外
20、凸,如图中虚线所示。图中虚线所示。22/54上上图图中中I I杆杆厚厚,杆杆薄薄:当当两两者者温温度度都都低低于于弹弹性性温温度度时时,由由于于杆杆比比I I杆杆先先冷冷,所所以以,当当I I杆杆冷冷至至室室温温后后,I I杆杆的的收收缩缩受受到到杆杆的的限限制制,而而承承受受拉拉伸伸应应力力,杆杆承承受受压压缩缩应应力力。故故在在长长度度方方向向,I I杆杆向向下凹,而杆下凹,而杆向下凸。向下凸。23/54下下图图中中I I杆杆薄薄,杆杆厚厚:其其原原理理如如上上述述,只只是是I I杆杆与与杆杆的的关关系系相相对对换换。从从而而,I I杆杆受受到到压压应应力力,向向上上凸凸,杆杆受受到到拉拉
21、应应力,向上凹。力,向上凹。24/54例:机床床身的变形例:机床床身的变形 由于机床床身的导轨面较厚,而侧壁较薄,截由于机床床身的导轨面较厚,而侧壁较薄,截面形态如图面形态如图a上图的状态。所以,其变形方向是向上图的状态。所以,其变形方向是向下凹。下凹。25/54例:厚薄均匀的平板铸件例:厚薄均匀的平板铸件由由于于平平板板中中心心部部分分比比四四周周冷冷却却得得慢慢,以以致致中中心心部部分分产产生生拉拉应应力力(四四周周约约束束,无无法法收收缩缩),而而四四周周产产生生压压应应力力(因因受受向心力而互相挤压)。向心力而互相挤压)。当当平平板板上上下下两两面面存存在在温温差差时时,就就可可能能产
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