铸造应力是铸件冷却进入弹性区域以后,由于收缩(或膨胀)受到阻力而形成的内应力。

铸造应力对铸件质量影响很大。若铸件总应力值超过合金屈服极限,将引起铸件变形,降低铸件尺寸精度。总应力值超过合金强度极限,铸件将产生冷裂,导致报废。残余应力存在于铸件中,在交变载荷下工作。若残余应力与载荷作用力方向一致,则铸件内外应力总和可能超过材料许用强度极限而破坏,甚至造成重大事故。因此,检测铸件残余应力,研究残余应力产生、发展过程,为制定相应工艺措施,尽量减小并设法消除铸件残余应力,改善铸件质量,有很重要的现实意义。

一、实验目的

学习测定铸件残余应力的方法,提高对铸件残余应力的产生、发展过程的感性认识。

二、实验原理

铸件在凝固后的继续冷却过程中,将产生固态收缩。若铸件各部分壁厚不同或因工艺等因素,使各部分收缩不一致或收缩受阻碍,则将产生内应力——铸造应力。

铸造过程中,由于各种原因,铸件中产生应力几乎是不可避免的。铸造应力对铸件质量影响很大,它是铸件在冷却过程中以及在以后的切削加工过程中或铸件使用过程中产生变形和裂纹的根本原因。在腐蚀介质中使用的铸件还会导致应力腐蚀。铸造应力按其形成的原因,可以分为机械应力和热应力两类。

1、机械应力

机械应力也称为收缩应力,是铸件收缩过程中受到机械阻碍而形成的应力。形成的原因很多,如砂型舂得过紧、型砂和芯砂的高温强度太高、退让性差等。

机械应力一般都是拉应力。由于它是在铸件处于弹性状态时产生的应力,因而当形成应力的原因一经消除,如落砂、打断浇冒口系统之后,应力也就随之消失。机械应力是一种临时应力。

2、热应力

热应力是由于铸件壁厚不均匀,各部分的冷却速度不同,以致在同一时间内铸件各部分的收缩不一致而造成的应力。这种应力一旦形成,将一直保留到室温。它是铸件产生变形、开裂的主要原因。所以,设计铸件时,要尽量使各部分的冷却速度一致,实现同时凝固,可减小铸件的热应力。

三、实验设备、器材

ZQY铸件应力动态测定仪(图1-9),EX系列台式记录仪,坩埚电阻炉浇注工具,铝及其合金,热电偶。

四、实验内容

测定ZL203铝铜合金和ZL102铝硅合金的残余应力值和应力形成发展过程(实验示意图如图1-10)。

五、实验步骤

(1)主机放平,三个测头与传感器用螺母连接上紧,不得有松动。

(2)自硬砂铸型置于托架上,型腔与测头要配合紧密,防止金属液流出。

(3)按上面示意图接好连线,传感器电源电压6 V 。

(4)调整台式记录仪,选1、2笔记录应力,量程用5mV挡,零点选在记录纸中间,3、4笔记录温度,量程用50 mV 挡。记录速度选择1200 mm / h 。放下记录笔,打开走纸开关,检查记录是否正常。

(5)上紧机体两侧液压螺栓,使预压力在1500 N 以上(压力表指示)。

(6)打开传感器冷却水,检查所有准备工作是否就绪。

(7)铝合金过热至750℃,用小浇包取出快速浇注(注意,浇注前一定给传感器通冷水,否则会烧坏传感器)。

(8)注意观察记录是否正常以及温度和应力变化情况,传感器输出Ⅰ404×86 kg / mV ,Ⅱ403×24kg/mV,Ⅲ409×84kg/mV。

(9)温度降至120℃、电压约5 mV ,测试结束,关掉记录仪,松开液压螺栓,预压力减至零,松开测头连接螺母,取下砂型,清理出铸件,观察有无缺陷。

(10)清理实验场地。填写实验报告( A )。

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