耐熱鎂合金的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

裂紋0教學(xué)內(nèi)容：熱裂紋的特征，熱裂紋的形成機(jī)理，熱裂紋的影響因素，熱裂紋的防止措施。教學(xué)要求：1.掌握熱裂紋的特征；2.理解熱裂紋形成的強(qiáng)度理論、形成理論，掌握熱裂紋的液膜理論；3.掌握鑄造合金性質(zhì)對(duì)熱裂紋形成的影響，理解鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)對(duì)熱裂紋形成的影響；4.理解防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑。重點(diǎn)：熱裂紋的特征及形成機(jī)理；鑄造合金性質(zhì)對(duì)熱裂形成的影響；鑄件熱裂的防止措施。難點(diǎn)：熱裂紋形成機(jī)理。1第三節(jié)熱裂紋一、熱裂紋的分類

裂紋：在應(yīng)力與致脆因素的共同作用下，使材料的原子結(jié)合遭到破壞，在形成新界面時(shí)產(chǎn)生的縫隙稱為裂紋。金屬在加工和使用過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)各種各樣的裂紋，如熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋、層狀撕裂和應(yīng)力腐蝕裂紋等。熱裂紋：金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)時(shí)所產(chǎn)生的開(kāi)裂現(xiàn)象，微觀上具有沿晶開(kāi)裂特征。2熱裂紋的形式：凝固裂紋、液化裂紋和高溫失延裂紋等，其中最常見(jiàn)的是凝固裂紋。（1）凝固裂紋；（2）液化裂紋；（3）高溫失延裂紋鑄件的外裂紋常產(chǎn)生于局部凝固緩慢、容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位；而內(nèi)裂紋一般發(fā)生在鑄件最后凝固的部位，有時(shí)出現(xiàn)在縮孔下方。3

鑄件特殊位置的裂紋示意圖裂紋的常見(jiàn)部位：4二、熱裂紋形成的條件及其特征1、形成條件

①高溫階段晶間的延性和塑性形變能力δmin不足以承受當(dāng)時(shí)應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變量ε

ε≥δmin②處在脆性溫度區(qū)Ⅰ區(qū)與液膜有關(guān)---出現(xiàn)在凝固末期Ⅱ區(qū)與液膜無(wú)關(guān)---出現(xiàn)在溫度位于奧氏體在結(jié)晶溫度TR附近

52、特征（1）與液膜有關(guān)的熱裂紋凝固時(shí)晶間殘存液膜所造成的裂紋---凝固裂紋焊接時(shí)由于過(guò)熱晶間出現(xiàn)液化現(xiàn)象---液化裂紋

特征：沿晶液膜分離的斷口晶界面很圓滑有氧化色62）與液膜無(wú)關(guān)的熱裂紋再結(jié)晶所造成的裂紋---高溫延遲裂紋位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而形成多邊化邊界以致開(kāi)裂---多邊化裂紋

特征：顯示柱狀晶明顯的方向性斷口粗糙宏觀可見(jiàn)的熱裂紋，其斷口均具有較明顯的氧化色彩，可作為初步判斷其是否為熱裂紋的判據(jù)。位于金屬內(nèi)部的熱裂紋因與外界隔絕，其氧化程度不如表面裂紋明顯。7（一）凝固裂紋的形成機(jī)理

三、熱裂紋的形成機(jī)理

金屬在凝固過(guò)程中要經(jīng)歷液-固狀態(tài)和固-液狀態(tài)兩個(gè)階段8在溫度較高的液-固階段，晶體數(shù)量較少，相鄰晶體間不發(fā)生接觸，液態(tài)金屬可在晶體間自由流動(dòng)，此時(shí)金屬的變形主要由液體承擔(dān)，已凝固的晶體只作少量的相互位移，其形狀基本不變。隨著溫度的降低，晶體不斷增多且不斷長(zhǎng)大。9進(jìn)入固-液階段后，多數(shù)液態(tài)金屬已凝固成晶體，此時(shí)塑性變形的基本特點(diǎn)是晶體間的相互移動(dòng)，晶體本身也會(huì)發(fā)生一些變形。當(dāng)晶體交替長(zhǎng)合構(gòu)成枝晶骨架時(shí)，殘留的少量液體尤其是低熔共晶，便以薄膜形式存在于晶體之間，且難以自由流動(dòng)。由于液態(tài)薄膜抗變形阻力小，形變將集中于液膜所在的晶間，使之成為薄弱環(huán)節(jié)。此時(shí)若存在足夠大的拉伸應(yīng)力，則在晶體發(fā)生塑性變形之前，液膜所在晶界就會(huì)優(yōu)先開(kāi)裂，最終形成凝固裂紋。10凝固期間固液態(tài)受切應(yīng)力下的形變四個(gè)晶?？梢宰杂闪鲃?dòng)液相流到中間長(zhǎng)合形變集中形成薄弱環(huán)節(jié)11脆性轉(zhuǎn)變區(qū)：上限為枝晶開(kāi)始交織長(zhǎng)合的溫度TH下限為液膜完全消失的實(shí)際固相線T’S脆性溫度區(qū)：固液階段是發(fā)生凝固裂紋的敏感階段，該階段所對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間稱為脆性溫度區(qū)。此區(qū)內(nèi)金屬的塑性極低，很容易產(chǎn)生裂紋。但裂紋是否能夠產(chǎn)生，還要看脆性溫度區(qū)內(nèi)應(yīng)變的發(fā)展情況12當(dāng)?ε/?T較低，ε隨溫度按曲線1變化時(shí)，ε＜δmin，不會(huì)產(chǎn)生裂紋當(dāng)?ε/?T為曲線2時(shí)ε≈δmin，處于臨界狀態(tài)；當(dāng)?ε/?T為曲線3時(shí)，ε＞δmin，即拉伸應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變量超過(guò)了金屬在TB內(nèi)的最低塑性，此時(shí)必定產(chǎn)生熱裂紋13在TB和δmin一定時(shí)，剛剛產(chǎn)生熱裂紋的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率稱為臨界應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率，以CST表示CST主要與材料的性質(zhì)有關(guān)，反映材料對(duì)熱裂紋的敏感性。CST越大，材料對(duì)熱裂紋敏感性小。CST≥6.5×10-4若實(shí)際的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率<CST，則可防止熱裂紋。14金屬在高溫下是否產(chǎn)生熱裂紋，主要決定于：（1）脆性溫度區(qū)TB的大小TB越大，收縮應(yīng)力的作用時(shí)間就越長(zhǎng)，產(chǎn)生的應(yīng)變量越大，故形成熱裂紋的傾向越大。（2）TB內(nèi)金屬的塑性TB一定時(shí)，TB內(nèi)金屬的塑性δmin越低，產(chǎn)生熱裂紋的傾向越大。（3）TB內(nèi)的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率?ε/?T?ε/?T越大，越容易產(chǎn)生裂紋。15上述三個(gè)方面既相互聯(lián)系和相互影響，又相對(duì)獨(dú)立。脆性溫度區(qū)的大小和金屬在脆性溫度區(qū)的塑性主要決定于化學(xué)成分、凝固條件、偏析程度、晶粒大小和方向等冶金因素；而應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率主要決定于金屬的熱脹系數(shù)、焊件剛度、鑄件收縮阻力及溫度分布等力學(xué)因素。16（二）液化裂紋的形成機(jī)理液化裂紋是一種沿奧氏體晶界開(kāi)裂的微裂紋，其形成同凝固裂紋一樣，與液膜的存在和拉應(yīng)力的作用有關(guān)。產(chǎn)生于焊接熱影響區(qū)或多層焊的層間金屬中。17液化裂紋的形成機(jī)理：一般認(rèn)為是由于熱影響區(qū)或多層焊層間金屬奧氏體晶界上的低熔點(diǎn)共晶，在焊接高溫下發(fā)生重新熔化，使金屬的塑性和強(qiáng)度急劇下降，在拉伸應(yīng)力作用下沿奧氏體晶界開(kāi)裂而形成的。此外，在不平衡加熱和冷卻條件下，由于金屬間化合物分解和元素的擴(kuò)散，造成局部地區(qū)共晶量偏高而發(fā)生局部晶間液化，也會(huì)產(chǎn)生液化裂紋。18（三）高溫失延裂紋的形成機(jī)理在固相線以下的高溫階段，金屬的變形方式主要是沿著晶界本身的面發(fā)生滑動(dòng)。晶界滑動(dòng)變形與晶內(nèi)滑移變形有著本質(zhì)的不同，前者靠位錯(cuò)或空位移動(dòng)實(shí)現(xiàn)，后者靠晶內(nèi)沿一定的滑移面產(chǎn)生滑移（塑性變形）實(shí)現(xiàn)。19晶界滑動(dòng)變形時(shí)，可能失去原子間的相鄰關(guān)系，如同流體或非晶體一樣，原子的排列是雜亂的。因此，晶界滑動(dòng)變形也稱為晶界擴(kuò)散變形。溫度越高，越有利于晶界的擴(kuò)散變形；位錯(cuò)或空位的密度越大，越容易促使晶界的擴(kuò)散變形。晶界擴(kuò)散變形的發(fā)展遇到障礙時(shí)，就會(huì)在障礙附近形成較大的應(yīng)變集中，引起楔劈作用而導(dǎo)致裂紋形核（楔形開(kāi)裂），三晶粒相交的頂點(diǎn)最易形成大的應(yīng)變集中，因此該部位易于產(chǎn)生微裂紋。20空穴開(kāi)裂理論則認(rèn)為，在高溫和低應(yīng)力下，晶界滑動(dòng)和晶界遷移同時(shí)發(fā)生，兩者共同作用可形成晶界臺(tái)階，進(jìn)而形成空穴并發(fā)展成微裂紋。晶界中過(guò)飽和的空位擴(kuò)散凝聚，也可能是形成微裂的原因，此時(shí)晶界中若存在雜質(zhì)偏析，則有利于降低空穴的表面能，促使微裂紋更易于形成。21

熱裂紋的影響因素：冶金因素和工藝因素。冶金因素：指合金的化學(xué)成分及凝固組織的形態(tài)；工藝因素：包括工藝條件、結(jié)構(gòu)形式和拘束狀態(tài)等。

四、熱裂紋的影響因素22（一）冶金因素的影響1．凝固溫度區(qū)的影響2．合金元素和雜質(zhì)的影響

合金元素尤其是易形成低熔點(diǎn)共晶的雜質(zhì)是影響熱裂紋產(chǎn)生的重要因素。

23硫和磷：在各種鋼中都會(huì)增加熱裂紋傾向。它們既能增大凝固溫度區(qū)間，又能與其他元素形成多種低熔點(diǎn)共晶，使合金在凝固過(guò)程中極易形成液態(tài)薄膜。碳：在鋼中是影響熱裂紋的主要元素，并能加劇硫﹑磷及其他元素的有害作用。錳：具有脫硫作用，可將FeS

置換成MnS，同時(shí)也能改善硫化物的形態(tài)，使薄膜狀改變?yōu)榍驙?，從而提高金屬的抗裂性。硅：是δ相形成元素，?yīng)有利于消除凝固裂紋，但wSi＞0.4％時(shí)，容易形成硅酸鹽夾雜，增加裂紋傾向。244．凝固組織形態(tài)的影響晶粒的大小﹑形態(tài)和方向及析出的初生相對(duì)抗裂性都有很大影響。晶粒越粗大，方向性越明顯，產(chǎn)生熱裂紋的傾向就越大。25（二）工藝因素對(duì)熱裂紋的影響

工藝因素不僅影響金屬的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率，還會(huì)影響雜質(zhì)的偏析和組織狀態(tài)等，從而影響熱裂紋的產(chǎn)生傾向。1、鑄型性質(zhì)的影響

關(guān)鍵問(wèn)題—要有良好的退讓性

濕型好于干型酚醛樹脂、水玻璃的薄殼砂芯好于粘土或水玻璃

262．工藝條件的影響澆注溫度應(yīng)根據(jù)鑄件的壁厚來(lái)選擇。薄壁鑄件要求較高的澆注溫度，使凝固速度緩慢均勻，從而減少熱裂傾向。對(duì)于厚壁鑄件，澆注溫度過(guò)高會(huì)增加縮孔容積，減緩冷卻速度，并使初晶粗化，形成偏析，因而易促使形成熱裂。此外，澆注溫度過(guò)高容易引起鑄件粘砂或與金屬型壁粘合，從而阻礙鑄件收縮，引起熱裂。澆注速度對(duì)熱裂紋也有影響。澆注薄壁件時(shí)，希望型腔內(nèi)液面上升速度較快，以防止局部過(guò)熱。對(duì)于厚壁鑄件，則要求澆注速度盡可能慢一些。273．結(jié)構(gòu)形式的影響鑄件厚薄不均時(shí)，各處的冷卻速度不同，較厚部分凝固晚，收縮應(yīng)力易集中于此處而導(dǎo)致裂紋。鑄件兩截面直角交接處或型壁十字交接處會(huì)形成熱節(jié)，并產(chǎn)生應(yīng)力集中，因而也容易產(chǎn)生熱裂。

28可從冶金和工藝兩個(gè)方面采取措施，防止熱裂紋的產(chǎn)生。（一）冶金措施1．限制有害雜質(zhì)嚴(yán)格控制鋼材或焊縫中硫、磷等有害雜質(zhì)的含量，合金元素含量越高，對(duì)硫、磷的限制越要嚴(yán)格。2．微合金化和變質(zhì)處理在碳鋼、合金鋼和相應(yīng)的焊縫中加入某些合金元素，如釩、鈦、鈮、鋯、硼、稀土等元素，以細(xì)化晶粒，減少非金屬夾雜，改善夾雜物的形態(tài)和分布。3．改進(jìn)鑄鋼的脫氧工藝，提高脫氧效果，以減少晶界的氧化物夾雜，達(dá)到減少熱裂傾向之目的。五、防止熱裂紋的措施29工藝措施（1）減小鑄件的收縮應(yīng)力，如增加鑄型和型芯的退讓性，預(yù)熱鑄型，在鑄型和型芯表面刷涂料等，可降低熱裂傾向。（2