金屬熱加工的應力

1、金屬工藝學大作業(yè)題目：金屬熱加工（鑄、鍛、焊、熱）過程中，熱應力會導致零件產(chǎn)生變形，試分析產(chǎn)生熱 應力的原因，并提出防止或消除方法。鑄造：應力產(chǎn)生原在加熱時鋼錠（坯）截面上的溫度分布是不均勻的，因此鋼錠（坯）截面各部位的熱膨脹也 不同。中心溫度低，熱膨脹??；表面溫度高，熱膨脹大。中心受到拉力，表面受到壓力，導 致各層之間產(chǎn)生內(nèi)應力。這種由溫差產(chǎn)生的內(nèi)應力稱熱應力或溫度應力。熱應力值的大小取 決于溫度沿截面的傳遞情況。加熱速度越快、截面面積越大、導熱性越差，產(chǎn)生的熱應力越 大。當熱應力超過該溫度下鋼的強度時，就會產(chǎn)生應力裂紋。減小和消除鑄造應力的措施：（1）合理地設計鑄件的結構鑄件的形狀愈復雜，

2、各部分壁厚相差愈大，冷卻時溫度愈不均勻，鑄造應力 愈大。因此，在設計鑄件時應盡量使鑄件形狀簡單、對稱、壁厚均勻。（2）采用同時凝固的工藝所謂同時凝固是指采取一些工藝措施，使鑄件各部分溫差很小，幾乎同時進 行凝固。因各部分溫差小，不易產(chǎn)生熱應力和熱裂，鑄件變形小。設法改善鑄型、 型芯的退讓性，合理設置澆冒口等。同時凝固的示意圖，該工藝是在工件厚壁處 加冷鐵，冒口設薄壁處。（3）時效處理是消除鑄造應力的有效措施。時效分自然時效、熱時效和共振時效等。所謂自然時效，是將鑄件置于露天 場地半年以上，讓其內(nèi)應力消除。熱時效（人工時效）又稱去應力退火，是將鑄 件加熱到550-650，保溫24h，隨爐冷卻至1

3、50-200T，然后出爐。共振法 是將鑄件在其共振頻率下震動10-60ndn，以消除鑄件中的殘留應力。焊接：應力產(chǎn)生原焊接過程中焊件中產(chǎn)生的內(nèi)應力和焊接熱過程引起的焊件的形狀和尺寸變化。焊接過程 的不均勻溫度場以及由它引起的局部塑性變形和比容不同的組織是產(chǎn)生焊接應力和變形的 根本原因。當焊接引起的不均勻溫度場尚未消失時，焊件中的這種應力和變形稱為瞬態(tài)焊接 應力和變形；焊接溫度場消失后的應力和變形稱為殘余焊接應力和變形。減小和消除焊接應力的措施：為了消除和減小焊接殘余應力，應采取合理的焊接順序，先焊接收縮量大的焊縫。焊 接時適當降低焊件的剛度，并在焊件的適當部位局部加熱，使焊縫能比較自由地收縮，

4、以減 小殘余應力。熱處理（高溫回火）是消除焊接殘余應力的常用方法。整體消除應力的熱處理效 果一般比局部熱處理好。鍛造：應力產(chǎn)生原金屬在加熱過程中，隨溫度的升高，金屬原子的運動能力增強，可鍛性明顯，但溫度過 高，便會產(chǎn)生應力缺陷。當金屬的加熱溫度超過其允許的最高加熱溫度時，奧氏體晶粒會聚 集長大，這種現(xiàn)象稱為過熱，過熱使鍛件的晶粒粗大，力學性能降低。若將工件繼續(xù)加熱到 接近熔點則容易使晶界氧化造成過燒，導致工件一鍛即碎而報廢。另外，在鍛造過程中，隨 著變形速度的增大，回復和再結晶速度來不及完全消除金屬變形引起的冷變形強化，從而使 變形抗力增大，同時，塑性變形的能量有一部分轉化為熱能，變形速度越大

5、，熱效應越明顯。減小和消除鍛造應力的措施：應合理確定鍛件的始鍛溫度和終鍛溫度，加熱的始鍛溫度一般取固相線以下100200C 以保證金屬不發(fā)生過熱與過燒。終鍛溫度一般高于金屬的再結晶溫度50100C以保證鍛 后再結晶完全，鍛件內(nèi)部得到細晶粒組織。碳素鋼和低合金結構鋼的鍛造溫度范圍，一般以 鐵碳平衡相圖為基礎，且其終鍛溫度選在高于Ar3點，以避免鍛造時相變引起裂紋。高合 金鋼因合金元素的影響，始鍛溫度下降，終鍛溫度提高，鍛造溫度范圍變窄。同時在鍛造過 程中，應合理掌握鍛造力度，控制鍛件的變形速度，減少應力的影響。熱處理：應力產(chǎn)生原工件在加熱和冷卻過程中，由于表層和心部的冷卻速度和時間的不一致，形成

6、溫差， 就會導致體積膨脹和收縮不均而產(chǎn)生應力，即熱應力。在熱應力的作用下，由于表層開始溫 度低于心部，收縮也大于心部而使心部受拉，當冷卻結束時，由于心部最后冷卻體積收縮不 能自由進行而使表層受壓心部受拉。即在熱應力的作用下最終使工件表層受壓而心部受拉。 當冷卻速度愈快，含碳量和合金成分愈高，冷卻過程中在熱應力作用下產(chǎn)生的不均勻塑性變 形愈大，最后形成的殘余應力就愈大。減小和消除熱處理應力的措施:為使金屬工件具有所需要的力學性能、物理性能和化學性能，除合理選用材料和各種成 形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。金屬加熱時，工件暴露在空氣中，常常發(fā)生氧化、 脫碳（即鋼鐵零件表面碳含量降低），這對于熱處理后零件的表面性能有很不利的影響。因而 金屬通常應在可控氣氛或保護氣氛中、熔融鹽中和真空中加熱，也可用涂料或包裝方法進行 保護加熱。加熱溫度是熱處理工藝的重要工藝參數(shù)之一，選擇和控制加熱溫度，是保證熱處理質(zhì)量 的主要問題。加熱溫度隨被處理的金屬材料和熱處理的目的不同而異，但一般都是加熱到相 變溫度以上，以獲得高溫組織。另外轉變需要一定的時間，因此當金屬工件表面達到要求的 加熱溫度時，還須在此溫度保持一定時間，使內(nèi)外溫度一致，使顯微組織轉變完全，這段時 間稱為保溫時間。采用高能密度加熱和表面熱處理時，加熱速度極快，一般就沒有保溫時間， 而化學熱處理的保溫時間往往較長。冷卻也是熱