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实验一 铸造内应力的形成及测量分析1、实验目的1）了解坩锅炉熔炼原理及工艺过程。
2）测定应力框产生的铸造热应力。
3）分析应力框产生内应力的原因、应力对铸件质量的影响。
2、实验原理根据“T ”形杆冷却过程中形成“粗杆受拉、细杆受压”的原理，设计如图1所示的应力框。
合金浇铸、冷却后，会在应力框的粗、细杆中形成不同性质的应力。
将粗杆锯断，将使应力约束条件释放，致使应力杆的尺寸发生变化。
测量应力杆的尺寸变化大小，根据虎克定律，便可计算出应力框中应力杆的大小。
应力框尺寸如图1所示，采用潮模砂造型，在电阻坩锅炉中熔炼ZL101合金，浇铸应力框。
3、实验步骤及方法1）手工造型应力框铸型。
2）坩锅电阻炉中熔炼ZL101 合金。
3）浇铸应力框。
4）冷却后清理。
5）将中间的粗杆打两点标志，测量两点距离L 0，然后将中间杆锯断，再测量两点的距离L 1。
6）根据测量结果，计算杆中的铸造应力。
σ= E ε = E （L 1 – L 0）/ L ( N/mm 2)式中： E --- 弹性模量，ZL101 为：72.4×103 N/mm 2；L ---- 中间杆的长度 mm 。
4、实验报告1）画出应力框图，标出细杆和粗杆中存在的铸造应力性质（拉应力为+,压应力为-）。
2）测量、计算铸造应力。
测量结果：L 0、L 1、L ；计算结果：σ3）分析应力框产生的原因和铸造应力对铸件质量的影响。
实测数据：L 0 = 80mm L 1 = 80.5mm L = 300mm图1铸造应力框。
发动机缸体切割法残余应力测试试验某生产发动机缸体的厂家，近期发现一批缸体有变形、开裂现象。
经研究发现，这些变形、裂纹都与残余应力有关。
在缸体铸件冷却过程中产生了残余应力，当缸体承受外力时，残余应力与其相互作用，从而改变缸体实际受到的应力大小。
当局部应力叠加超过材料强度极*时，就会引起缸体变形甚至开裂。
因此，有必要对发动机缸体内部进行残余应力测试和分析。
残余应力测试方法残余应力测试方法主要分有损和无损两大类，有损检测有盲孔法、切割法等，无损检测有x射线、磁测法等。
本次实验中，测试件结构复杂、体积大、重量大、表面存在氧化层和铸造残沙，所以X射线法不适用。
盲孔法主要是用于物体表面残余应力测试，所以也不适用。
而切割法可以*全测量内部残余应力，并且对构件尺寸没有要求，因此切割法更适合发动机缸体的残余应力测试。
测试仪器试验仪器采用聚航科技的JHYC静态应变测量系统，多通道设计，软件式操作，中文界面，应变值实时显示，数据及曲线实时保存，仪器精度高，测量结果精确。
试验依据：《GBT 31218-2014金属材料残余应力测定全释放应变法》残余应力测试方案（1）测点位置选取应变测试点的选取原则应遵循以下几点：1.理论计算的高应力区和实际发生开裂的部位；2缸体实施减重部位；3进一步优化设计关注的部位。
根据以上原则，在缸体上共选取12个测点，均采用三轴应变花。
（2）应变片的粘贴及连接：将各个测点位置进行打磨清洁，粘贴应变片及接线端子。
（3）初始值记录：完成贴片后，将应变片按照1/4桥接入JHYC静态应变仪，查看数据，待数据稳定后记录缸体应变初始值。
（4）测量及缸体切割：拆除测量线缆，依据切割方案将缸体进行切割，沿着各测点位置将应变片尽可能割成小块，切割过程中注意应变片的保护。
（5）终值记录：切割完成后，将切割下来的试块上的应变片按照1/4桥接入应变仪，查看数据，待数据稳定后记录缸体应变终值。
测试结果及计算缸体使用材料是HT250，其弹性模量为120GPa，泊松比为0.3。
关于构件的残余应力检测（盲孔法检测）一、前言（1）应力概念通常讲，一个物体，在没有外力和外力矩作用、温度达到平衡、相变已经终止的条件下，其内部仍然存在并自身保持平衡的应力叫做内应力。
按照德国学者马赫劳赫提出的分类方法，内应力分为三类：第Ⅰ类内应力是存在于材料的较大区域（很多晶粒）内，并在整个物体各个截面保持平衡的内应力。
当一个物体的第Ⅰ类内应力平衡和内力矩平衡被破坏时，物体会产生宏观的尺寸变化。
第Ⅱ类内应力是存在于较小范围（一个晶粒或晶粒内部的区域）的内应力。
第Ⅲ类内应力是存在于极小范围（几个原子间距）的内应力。
在工程上通常所说的残余应力就是第Ⅰ类内应力。
到目前为止，第Ⅰ类内应力的测量技术最为完善，它们对材料性能和构件质量的影响也研究得最为透彻。
除了这样的分类方法以外，工程界也习惯于按产生残余应力的工艺过程来归类和命名，例如铸造应力、焊接应力、热处理应力、磨削应力、喷丸应力等等，而且一般指的都是第Ⅰ类内应力。
（2）应力作用机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重要的影响。
适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；而不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，失去尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故。
（3）应力的产生在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生残余应力。
但是，如果从本质上讲，产生残余应力的原因可以归结为：1.不均匀的塑性变形；2.不均匀的温度变化；3.不均匀的相变（4）应力的调整针对工件的具体服役条件，采取一定的工艺措施，消除或降低对其使用性能不利的残余拉应力，有时还可以引入有益的残余压应力分布，这就是残余应力的调整问题。
通常调整残余应力的方法有：①自然时效把构件置于室外，经气候、温度的反复变化，在反复温度应力作用下，使残余应力松弛、尺寸精度获得稳定。
一般认为，经过一年自然时效的工件，残余应力仅下降2%～10%，但工件的松弛刚度得到了较大地提高，因而工件的尺寸稳定性很好。
残余应力分析报告1. 引言残余应力是指材料在外力作用后，去除外力后仍然存在的应力。
它是材料内部微观结构产生的结果，对材料的性能和稳定性具有重要影响。
残余应力分析是研究材料力学行为的重要手段，可以帮助我们了解材料的变形特点和失效机制。
本报告将介绍残余应力分析的基本原理和方法，并结合实际案例进行分析。
2. 残余应力的产生机制残余应力的产生可以归结为以下几个方面：2.1 热应力材料在冷却过程中由于温度梯度而产生的热应力是导致残余应力的主要原因之一。
当材料的不同部分受到不同的温度影响时，会出现不均匀的热膨胀，从而引起应力的产生。
2.2 加工应力加工过程中的机械变形也会导致残余应力的产生。
例如，材料的塑性变形、切削加工和焊接等过程中，由于材料受到外力作用而发生形变，一旦去除外力，材料便会维持一定的应力状态。
2.3 相变应力材料的相变过程也会引起残余应力的产生。
例如，金属在固相转变时，由于晶格结构的变化，会引起应力的产生。
3. 残余应力分析方法残余应力分析可以采用多种方法，常见的有以下几种：3.1 X射线衍射方法X射线衍射方法是一种常用的非破坏性测试方法，可以通过测量材料晶体的衍射图样来分析残余应力。
通过对衍射峰的位置和强度进行分析，可以确定残余应力的大小和分布情况。
3.2 高能同步辐射方法高能同步辐射方法是一种精密的残余应力分析方法，可以提供更高的分辨率和更精确的测量结果。
该方法利用高能同步辐射源产生的高强度辐射束，通过测量辐射束的散射特性来分析残余应力。
3.3 数值模拟方法数值模拟方法是一种基于数学建模和计算机仿真的分析方法，可以通过建立材料的力学模型和边界条件来计算残余应力。
该方法可以通过调整模型参数和边界条件来模拟不同情况下的残余应力分布。
4. 残余应力分析案例分析以某航空发动机叶片为例，进行残余应力分析。
通过X射线衍射方法对叶片进行测试，得到了残余应力的分布情况。
结果显示，叶片的根部和尖部存在较大的残余应力，而中部相对较小。
铸造残余应力的测定实验报告
1. 实验目的
(1) 了解铸造残余应力的产生原因。
(2) 了解用应力框测定铸造残余应力的方法。
(3) 了解退火对消除残余应力的效果。
2. 实验原理
2.1 铸造应力
铸件在凝固和冷却过程中由于各部分体积变化不一致导致彼此制约而引起的应力称为铸造应力。
铸造应力可分为三种，即热应力、相变应力和收缩应力。
铸造应力可能是暂时性的，当引起应力的原因消除以后，应力随之消失，称为临时应力；否则为残余应力。
铸造应力对铸件质量有重要影响，如果铸造应力超过材料的屈服强度，铸件则产生变形；如果铸造应力超过材料的强度极限时，铸件则产生裂纹。
残余应力还会降低铸件的使用性能，如失去精度、在使用过程中造成断裂或产生应力腐蚀等。
2.2 铸造应力的测定方法——应力框试验法
图1为测定铸造残余应力的框形铸件，由于I 杆和II 杆截面尺寸差别大，因而铸造后细杆I 中形成压应力，粗杆II 中形成拉应力。
若在A-A 截面处将粗杆锯开，锯至一定程度时，由于截面变小，粗杆被拉断。
受弹性拉长的粗杆长度较自由收缩条件下的长度缩短，其缩短量∆L 和铸造残留应力成正比，其值可根据锯断前、后粗杆上小凸台的长度(L 0 ,L 1）差求出，即∆L ＝L 1一L 0。
铸造残留应力σ1和σ2的计算公式为：
细杆残留应力σ1＝－E
)21(2101F F L L L +-，粗杆残留应力σ2＝－E )
21(1
2
1F F L L L +-
图1应力框铸件图
式中：
σ1，σ2——细杆、粗杆中的铸造应力（MPa ）； L 0，L 1——锯断前、后小凸台的长度（mm ）；
F1，F 2——细杆、粗杆的横截面积（mm2）；
L——杆的长度，L=130mm；
E——弹性模量，普通灰铸铁取9×104MPa，球墨铸铁取1.8×105MPa。
2.3减小及消除残余应力的方法
铸造应力导致铸件翘曲变形甚至开裂，特别是铸件中的残余应力，如不消除，将降低零件的加工精度，在使用中会继续变形，降低机械性能和使用性能。
因此应设法减小和消除残余应力。
（1）减小铸造应力的措施和途径
①选用弹性模量E和热膨胀系数α小的合金作为铸件材质。
②减小铸件冷却过程中的温差：
（a）在铸件厚实部位放置冷铁或蓄热系数大的型砂，加速厚实部分的冷却。
（b）对铸件厚实部分的铸型或砂芯实行强制冷却。
（c）在铸件壁薄处开内浇道，使铸件各部分温度趋于一致。
（d）提高浇注时铸型的温度。
（e）将铸件于红热状态开箱取出，尽快置于已加热到500~600℃的保温炉中，保持一定时间使铸件各部分温度趋于一致，然后随炉缓冷至200~250℃出炉。
③改善铸型和砂芯的溃散性。
④改进铸件结构，避免形成较大应力和应力集中。
（2）消除铸件中残余应力的方法
消除铸件中残余应力的方法有自然失效、人工时效和共振时效等方法。
①自然失效
将有残余应力的铸件放置在露天场地，经半年乃至一年以上，让残余应力逐渐自然消退，这种方法称为自然时效。
②人工时效
人工时效又称热时效或消除内应力退火。
把铸件加热到合金的弹塑性状态的温度范围内，保持一定时间，使残余应力得以消除，然后缓慢冷却，以免重新产生残余应力。
③共振时效
共振时效的原理是：在激振器的周期性外力即激振力作用下，与铸件发生共振，因而使铸件获得相当大的振动能量。
在共振过程中交变应力与残余应力叠加，产生局部屈服，引起塑性变形，使铸件中的残余应力逐渐松弛甚至消失，达到稳定铸件尺寸的目的。
3.实验内容
本次实验测定应力框铸件（灰口铸铁）铸态及其退火热处理后的残余应力，测定步骤如下：
(1)造型（3个应力框试样）；
(2)浇注（铁水温度为1330～1350℃）；
(3)用热分析装置测试一个铸型中应力框铸件厚、薄壁的冷却曲线。
(4)浇注后30min打箱，用钢丝刷刷去应力框铸件表面型砂；
(5)将其中1个应力框放入热处理炉中，在550℃保温3小时后炉冷；
(6)将上述2个应力框铸件的粗杆小凸台上成锐角相交的四个棱柱面锉平；
(7)用卡尺测量小凸台长度L0；
(8)在小凸台A-A截面处从1、2、3三面依次锯开粗杆（见图1），注意各锯口应在垂
直于杆轴线的同一平面内。
(9)锯至粗杆断裂后，再测量小凸台长度L1，测量结果填入表1；
(10)计算铸造残余应力σ1和σ2。
4.实验结果与分析
应力框铸件中热应力的形成过程如图21所示。
图2上部表示了杆I和杆II的冷却曲线，T临表示金属弹塑性临界温度。
在T0~T1阶段，杆I和杆II均处于塑性状态，由于杆II较粗，其冷却速度较慢，从而两杆收缩不一致，会产生应力，但铸件可以通过两杆的塑性变形使应力很快自行消失。
在T1~T2间，此时杆I温度较低，已进入弹性状态，但杆II仍处于塑性状态。
杆I由于冷却快，收缩大于杆II，在横杆作用下将对杆II产生压应力，如图2（b）所示。
处于塑性状态的杆II受压力作用产生压缩塑性变形，使杆I、杆II的收缩一致，应力随之消失，如图2（c）所示。
在T2~T3阶段，当铸件进一步冷却至更低温度时，杆I和杆II均进入弹性状态，此时杆II温度较高，冷却时还将产生较大收缩，杆I温度较低，收缩已趋停止，在最后冷却阶段时，杆II的收缩将受杆I强烈影响，因此杆II受拉，杆I受压，并保留到室温，形成了残余应力，如图2（d）所示。
图2热应力的形成（+表示拉应力；-表示压应力）
5.思考题
1翟封祥，尹志华等.材料成形工艺基础.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003
（1）简述铸造应力的危害。
答：在铸件冷却过程中，临时应力与残余应力同时对铸件起作用，开模后，只有残余应力对铸件起作用。
在铸造过程中，铸造应力的存在能引起铸件产生变形和开裂，当铸件中总的铸造应力超过屈服极限时，将产生塑性变形，引起铸件尺寸的改变；当铸造应力超过强度极限时，引起铸件开裂，形成铸造裂纹。
而低于弹性极限的热应力和部分相变应力则会保留在铸件内形成残余应力。
残余应力的存在对铸件的质量有很大影响，有残余应力的铸件在长时间放置或随后的机械加工时，可能引起铸件的变形，失去原来的精度，甚至开裂；为此需要加大加工余量。
在大批量生产时，变形的铸件在机械加工时往往因放不进夹具而报废。
有残余应力的铸件，机械加工后残余应力失衡，可能产生新的变形使精度降低或尺寸超差。
加工后有残余应力的零件在使用过程中如果受力方向和铸造应力的方向一致时，其叠加应力可能超过材料的屈服极限甚至强度极限，使铸件产生变形和开裂以致报废。
若在腐蚀介质中存放或工作，还会因抗腐蚀性降低而产生应力腐蚀而开裂。
（2）铸造残余应力的大小与浇注后落砂时间的早晚是否有关系？
答：有关。
为减小铸造残余应力，应使落砂时间晚些，从而使铸件能够充分冷却，提高铸件温度分布的均匀性。
（3）车床导轨处的残余应力一般是拉应力还是压应力？如何防止和消除？
答：受拉应力。
因为车床导轨部分铸壁很厚，而侧壁、筋板部分壁较薄，根据对应力框铸件的分析可知，厚大部位在铸件冷却到室温后承受拉应力，因此导轨处的残余应力为压应力。
