第十章鑄件的熱裂

1、第十章第十章 鑄件的熱裂鑄件的熱裂10-1 概述概述基本概念基本概念熱裂：熱裂：鑄件在凝固過程中和隨后在固相線附近收縮時，由于鑄件在凝固過程中和隨后在固相線附近收縮時，由于外力或內(nèi)應(yīng)力或二者作用的結(jié)果，使鑄件發(fā)生的裂紋。外力或內(nèi)應(yīng)力或二者作用的結(jié)果，使鑄件發(fā)生的裂紋。熱裂外觀特征：熱裂外觀特征：裂紋表面呈氧化色；不光滑；有樹枝晶裂紋表面呈氧化色；不光滑；有樹枝晶裂紋產(chǎn)生區(qū)：裂紋產(chǎn)生區(qū)：沿晶界產(chǎn)生和發(fā)展沿晶界產(chǎn)生和發(fā)展熱裂分布：熱裂分布：外裂和內(nèi)裂外裂和內(nèi)裂外裂分布及特征：外裂分布及特征：鑄件表面；表面寬，內(nèi)部窄；產(chǎn)生于鑄件的拐角、截面厚度突變鑄件表面；表面寬，內(nèi)部窄；產(chǎn)生于鑄件的拐角、截面厚度

2、突變或局部冷凝慢且在凝固時承受拉應(yīng)力的地方?；蚓植坷淠以谀虝r承受拉應(yīng)力的地方。內(nèi)裂分布及特征：內(nèi)裂分布及特征：沿晶分布；產(chǎn)生于鑄件內(nèi)部最后凝固的部位，也出現(xiàn)在縮孔附近沿晶分布；產(chǎn)生于鑄件內(nèi)部最后凝固的部位，也出現(xiàn)在縮孔附近或縮孔尾部?；蚩s孔尾部。熱裂的危害：熱裂的危害：嚴(yán)重影響機械性能；嚴(yán)重裂紋擴展使鑄件斷裂。嚴(yán)重影響機械性能；嚴(yán)重裂紋擴展使鑄件斷裂。熱裂補救措施：熱裂補救措施：外裂外裂補焊補焊內(nèi)裂內(nèi)裂無良好辦法無良好辦法10-2 熱裂形成的溫度范圍及形成機熱裂形成的溫度范圍及形成機理理一、熱裂形成的溫度范圍一、熱裂形成的溫度范圍碳鋼產(chǎn)生熱裂的溫度是在固相線附近，隨硫磷含量增高而降低碳鋼

3、產(chǎn)生熱裂的溫度是在固相線附近，隨硫磷含量增高而降低熱裂紋是在固相線以上形成，且其形成溫度隨應(yīng)變速率的增加熱裂紋是在固相線以上形成，且其形成溫度隨應(yīng)變速率的增加而升高而升高圖圖10-7熱裂紋是在固相線以上形成的熱裂紋是在固相線以上形成的結(jié)論：結(jié)論：熱裂紋是在凝固溫度范圍內(nèi)、鄰近固相線時形成的，或者說是熱裂紋是在凝固溫度范圍內(nèi)、鄰近固相線時形成的，或者說是在有效結(jié)晶溫度范圍內(nèi)形成的。所謂在有效結(jié)晶溫度范圍內(nèi)形成的。所謂有效結(jié)晶溫度范圍有效結(jié)晶溫度范圍，其上，其上限指合金形成枝晶骨架，線收縮開始溫度，其下限為合金凝固限指合金形成枝晶骨架，線收縮開始溫度，其下限為合金凝固終了溫度。終了溫度。二、熱裂形

4、成機理二、熱裂形成機理形成機理兩形成機理兩主要理論主要理論1.液膜理論液膜理論2.強度理論強度理論熱裂紋形成是由于鑄件在凝固末期晶間存在液膜熱裂紋形成是由于鑄件在凝固末期晶間存在液膜和鑄件在凝固過程中受拉應(yīng)力共同作用的結(jié)果。和鑄件在凝固過程中受拉應(yīng)力共同作用的結(jié)果。固相骨架已形成并開始線收縮，由于收縮受阻，固相骨架已形成并開始線收縮，由于收縮受阻，鑄件中產(chǎn)生應(yīng)力和變形。當(dāng)應(yīng)力或變形超過合金鑄件中產(chǎn)生應(yīng)力和變形。當(dāng)應(yīng)力或變形超過合金在該溫度下的強度極限或變形能力時，鑄件便產(chǎn)在該溫度下的強度極限或變形能力時，鑄件便產(chǎn)生裂紋。生裂紋。1.液膜理論液膜理論液膜是產(chǎn)生熱裂紋的根本原因，鑄件收縮受阻是產(chǎn)生

5、熱裂紋的液膜是產(chǎn)生熱裂紋的根本原因，鑄件收縮受阻是產(chǎn)生熱裂紋的必要條件。必要條件。論證推理過程：論證推理過程：第一階段：第一階段：合金處于液態(tài)，可以任意流動，不會產(chǎn)生熱裂。合金處于液態(tài)，可以任意流動，不會產(chǎn)生熱裂。第二階段：第二階段：合金的溫度已經(jīng)降到液相線以下，析出固相，初期固相枝晶合金的溫度已經(jīng)降到液相線以下，析出固相，初期固相枝晶懸浮在液體中，未連成骨架，懸浮在液體中，未連成骨架，固相能同液體一起自由流動，固相能同液體一起自由流動，合金仍有良好的流動能力，也不產(chǎn)生熱裂紋。隨著溫度下降，合金仍有良好的流動能力，也不產(chǎn)生熱裂紋。隨著溫度下降，固相不斷增加，相鄰晶粒之間開始接觸，但固相不斷增加

6、，相鄰晶粒之間開始接觸，但液體在晶粒之間液體在晶粒之間仍可以自由流動仍可以自由流動，若此時有拉應(yīng)力存在，一旦產(chǎn)生裂紋，裂紋，若此時有拉應(yīng)力存在，一旦產(chǎn)生裂紋，裂紋能被液體充填而愈合。此時合金處于液固態(tài)，也不產(chǎn)生裂紋。能被液體充填而愈合。此時合金處于液固態(tài)，也不產(chǎn)生裂紋。第三階段：第三階段：合金冷卻到液相線以下某溫度后，枝晶彼此接觸，連成骨架，合金冷卻到液相線以下某溫度后，枝晶彼此接觸，連成骨架，并不斷擠在一起，晶間存在液相但很少，并不斷擠在一起，晶間存在液相但很少，液體的流動發(fā)生困難液體的流動發(fā)生困難。由于晶間結(jié)合力弱，在拉應(yīng)力作用下極易產(chǎn)生晶間裂紋，裂紋由于晶間結(jié)合力弱，在拉應(yīng)力作用下極易產(chǎn)

7、生晶間裂紋，裂紋一旦產(chǎn)生又很難被液態(tài)金屬彌合，因此，在該階段產(chǎn)生熱裂的一旦產(chǎn)生又很難被液態(tài)金屬彌合，因此，在該階段產(chǎn)生熱裂的幾率最大。此時合金處于固液態(tài)。幾率最大。此時合金處于固液態(tài)。第四階段：第四階段：合金處于固態(tài)，在固相線附近合金的塑性好，在應(yīng)力作用下，很合金處于固態(tài)，在固相線附近合金的塑性好，在應(yīng)力作用下，很容易發(fā)生塑性變形，形成裂紋的幾率很小。容易發(fā)生塑性變形，形成裂紋的幾率很小。合金熱裂傾向與晶間液體的相關(guān)關(guān)系：合金熱裂傾向與晶間液體的相關(guān)關(guān)系：晶間晶間液體鋪展液膜時，熱裂傾向顯著增大；晶間液體呈球狀而液體鋪展液膜時，熱裂傾向顯著增大；晶間液體呈球狀而不易鋪展時，合金熱裂傾向明顯減輕

8、不易鋪展時，合金熱裂傾向明顯減輕。2cos2SLSS晶間液體的形態(tài)受界面張力和固液界面張力的平衡關(guān)系支配：晶間液體的形態(tài)受界面張力和固液界面張力的平衡關(guān)系支配：，液體呈球狀。膜；，液體在晶間鋪展成液oo1800熱裂紋形成過程可以分為兩種：熱裂紋形成過程可以分為兩種：1）雙邊角為）雙邊角為0。rp當(dāng)作用于晶粒外力增大時，液膜被拉長，曲率半徑變小，附加當(dāng)作用于晶粒外力增大時，液膜被拉長，曲率半徑變小，附加應(yīng)力升高。當(dāng)曲率半徑等于液膜厚度一半，附加應(yīng)力達(dá)到最大。應(yīng)力升高。當(dāng)曲率半徑等于液膜厚度一半，附加應(yīng)力達(dá)到最大。液膜再繼續(xù)變形，曲率半徑會增大，附加應(yīng)力下降，平衡條件液膜再繼續(xù)變形，曲率半徑會增大

9、，附加應(yīng)力下降，平衡條件遭到破壞，液膜兩側(cè)的晶粒急劇分開，形成熱裂紋。遭到破壞，液膜兩側(cè)的晶粒急劇分開，形成熱裂紋。晶間液膜的表面張力和厚度對抗裂性的影響：晶間液膜的表面張力和厚度對抗裂性的影響：液膜的界面張力與合金化學(xué)成分、溫度以及吸附元素等有關(guān)。液膜的界面張力與合金化學(xué)成分、溫度以及吸附元素等有關(guān)。表面活性物質(zhì)皆使合金的抗裂性下降。諸如鋼中的硫、磷等。表面活性物質(zhì)皆使合金的抗裂性下降。諸如鋼中的硫、磷等。液膜的厚度取決于晶粒的大小、鑄件的冷卻條件和低熔點組成物液膜的厚度取決于晶粒的大小、鑄件的冷卻條件和低熔點組成物的含量。的含量。晶間存在大量低熔點物質(zhì)，液膜變厚，且熔點下降，也容易產(chǎn)生晶間

10、存在大量低熔點物質(zhì)，液膜變厚，且熔點下降，也容易產(chǎn)生裂紋，即厚度越大，越容易產(chǎn)生熱裂。裂紋，即厚度越大，越容易產(chǎn)生熱裂。2）晶間殘存著少量以孤立形式存在的液體）晶間殘存著少量以孤立形式存在的液體在外力作用下，液體匯集部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)該應(yīng)力大于在外力作用下，液體匯集部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)該應(yīng)力大于合金此時此刻的強度時，形成微裂紋。合金此時此刻的強度時，形成微裂紋。lW1812cos12SSSSSLW形成液膜的低熔點物質(zhì)是產(chǎn)生熱裂的主要根源。但形成液膜的低熔點物質(zhì)是產(chǎn)生熱裂的主要根源。但低熔點物質(zhì)低熔點物質(zhì)在合金中的數(shù)量超過某一界限以后在合金中的數(shù)量超過某一界限以后，反而具有，反而具有愈合裂紋的

11、作用愈合裂紋的作用。即液體在毛細(xì)作用下填補了裂紋。即液體在毛細(xì)作用下填補了裂紋。2.強度理論強度理論鑄件在凝固末期，固相骨架已經(jīng)形成并開始線收縮，由于鑄件在凝固末期，固相骨架已經(jīng)形成并開始線收縮，由于線收縮線收縮受阻，鑄件中產(chǎn)生應(yīng)力和變形受阻，鑄件中產(chǎn)生應(yīng)力和變形。當(dāng)。當(dāng)應(yīng)力或變形超過合金在該溫度應(yīng)力或變形超過合金在該溫度下的強度極限或變形能力時，鑄件便產(chǎn)生熱裂紋下的強度極限或變形能力時，鑄件便產(chǎn)生熱裂紋。熱裂是在熱裂是在“熱脆區(qū)熱脆區(qū)”形成；熱脆區(qū)就是有效結(jié)晶溫度區(qū)間。形成；熱脆區(qū)就是有效結(jié)晶溫度區(qū)間。影響熱脆區(qū)的因素：影響熱脆區(qū)的因素：熱裂紋的產(chǎn)生主要決定于在熱脆區(qū)內(nèi)合金的斷裂應(yīng)變與鑄件因

12、熱裂紋的產(chǎn)生主要決定于在熱脆區(qū)內(nèi)合金的斷裂應(yīng)變與鑄件因收縮受阻所產(chǎn)生的應(yīng)變之間的對比關(guān)系。收縮受阻所產(chǎn)生的應(yīng)變之間的對比關(guān)系。鑄件的應(yīng)變鑄件的應(yīng)變合金的應(yīng)變合金的應(yīng)變鑄件應(yīng)變與斷裂應(yīng)變的關(guān)系：鑄件應(yīng)變與斷裂應(yīng)變的關(guān)系： T Tf不產(chǎn)生熱裂紋不產(chǎn)生熱裂紋產(chǎn)生熱裂紋的臨界條件產(chǎn)生熱裂紋的臨界條件產(chǎn)生熱裂紋產(chǎn)生熱裂紋是由熱脆區(qū)、應(yīng)變和斷裂應(yīng)變綜合決定的。熱脆區(qū)越大，金屬低是由熱脆區(qū)、應(yīng)變和斷裂應(yīng)變綜合決定的。熱脆區(qū)越大，金屬低塑性時間越長，越易形成熱裂。熱脆區(qū)內(nèi)金屬斷裂應(yīng)變越低，鑄塑性時間越長，越易形成熱裂。熱脆區(qū)內(nèi)金屬斷裂應(yīng)變越低，鑄件的應(yīng)變越大，則越容易產(chǎn)生熱裂。件的應(yīng)變越大，則越容易產(chǎn)生熱裂。

13、分析：合金的熱裂傾向性分析：合金的熱裂傾向性結(jié)論：結(jié)論：強度理論認(rèn)為，強度理論認(rèn)為，合金存在熱脆區(qū)和在熱脆區(qū)內(nèi)合金的斷裂應(yīng)變低是合金存在熱脆區(qū)和在熱脆區(qū)內(nèi)合金的斷裂應(yīng)變低是產(chǎn)生熱裂紋的重要原因，而鑄件的集中變形是產(chǎn)生熱裂紋的必要條產(chǎn)生熱裂紋的重要原因，而鑄件的集中變形是產(chǎn)生熱裂紋的必要條件。件。分析：產(chǎn)生熱裂的必要條件分析：產(chǎn)生熱裂的必要條件由于合金熱脆區(qū)內(nèi)的斷裂應(yīng)變遠(yuǎn)大于合金在該溫度的自由線收縮率，由于合金熱脆區(qū)內(nèi)的斷裂應(yīng)變遠(yuǎn)大于合金在該溫度的自由線收縮率，鑄件均勻變形，也不會產(chǎn)生熱裂。只有當(dāng)鑄件收縮受阻產(chǎn)生集中變鑄件均勻變形，也不會產(chǎn)生熱裂。只有當(dāng)鑄件收縮受阻產(chǎn)生集中變形時，才有可能產(chǎn)生熱

14、裂。形時，才有可能產(chǎn)生熱裂。10-3 影響熱裂形成的因素和防止措施影響熱裂形成的因素和防止措施一、影響因素一、影響因素（一）合金性質(zhì)（一）合金性質(zhì)1.有效結(jié)晶溫度區(qū)有效結(jié)晶溫度區(qū)2.有效結(jié)晶溫區(qū)絕對線收縮量和相變有效結(jié)晶溫區(qū)絕對線收縮量和相變結(jié)晶溫區(qū)越大，熱裂傾向性越大結(jié)晶溫區(qū)越大，熱裂傾向性越大收縮量越大，越容易產(chǎn)生裂紋；相變產(chǎn)生膨脹，不易產(chǎn)生裂紋收縮量越大，越容易產(chǎn)生裂紋；相變產(chǎn)生膨脹，不易產(chǎn)生裂紋3.晶粒形狀和尺寸晶粒形狀和尺寸晶粒小，成等軸晶，越不容易形成熱裂晶粒小，成等軸晶，越不容易形成熱裂4.化學(xué)成分及晶間形態(tài)化學(xué)成分及晶間形態(tài)晶界存在第三相且鋪展為液膜，熱裂傾向增大；呈球狀減小晶

15、界存在第三相且鋪展為液膜，熱裂傾向增大；呈球狀減小防止措施：防止措施：1.選擇有效結(jié)晶溫區(qū)小、收縮小的合金選擇有效結(jié)晶溫區(qū)小、收縮小的合金2.細(xì)化晶粒，球化處理等細(xì)化晶粒，球化處理等3.控制熔煉工藝，改進(jìn)脫氧工藝，盡量去除有害雜質(zhì)控制熔煉工藝，改進(jìn)脫氧工藝，盡量去除有害雜質(zhì)（二）鑄型影響（二）鑄型影響1.鑄型、砂芯阻力：鑄型、砂芯阻力：濕型濕型干型干型有機粘結(jié)劑砂型有機粘結(jié)劑砂型非有機砂型非有機砂型2.鑄型與金屬的作用：鑄型與金屬的作用：（1）退讓性越大，收縮阻力越小，熱裂越?。┩俗屝栽酱?，收縮阻力越小，熱裂越?。?）退讓時刻：粘土砂）退讓時刻：粘土砂1250具有較好的退讓性具有較好的退讓性化學(xué)粘砂及機械粘砂作用越強，熱裂越大化學(xué)粘砂及機械粘砂作用越強，熱裂越大防止措施：防止措施：1.提高退讓性：在粘土砂中加木屑；在型芯中加松散材料提高退讓性：在粘土砂中加木屑；在型芯中加松散材料2.刷涂料，減小摩擦刷涂料，減小摩擦3.在熱節(jié)處加冷鐵，降低集中變形在熱節(jié)處加冷鐵，降低集中變形（三）澆注條件：（三）澆注條件：1.澆注溫度和澆注速度澆注溫度