第13章鑄件熱裂.ppt

1、2020/9/22,第十章,材料加工工程 林曉娉,熱,裂,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,2,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(chēng)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。本章將就熱裂的產(chǎn)生機(jī)理，緩解（或消除）措施進(jìn)行講解。,10-1 鑄件熱裂的概述,10-2 熱裂形成的溫度范圍及形成機(jī)理,10-3 影響熱裂的因素和防止途徑,鑄件的熱裂,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,3,10-1 鑄件熱裂的概述,熱裂紋是鑄鋼件、可鍛鑄鐵件和某些輕合金鑄件生產(chǎn)中最常見(jiàn)的鑄造缺陷之

2、一。合金的熱裂性是重要的鑄造性能之一。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、熱裂的特征（如圖所示）：,（1）外觀特征：裂口外觀形狀曲折而不規(guī)則、不光滑；裂口表面呈氧化色(鑄鋼件近似黑色，鋁合金呈暗灰色)；當(dāng)鑄鋼件緩慢冷卻時(shí)，裂口的邊緣尚有脫碳現(xiàn)象。 （2）微觀特征：裂紋是沿晶界產(chǎn)生和發(fā)展。 根據(jù)裂口的形狀、顏色的特征，證明裂縫是在高溫下形成的，故這種裂縫稱(chēng)為熱裂。,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,4,2、熱裂的分類(lèi) 熱裂分為外裂和內(nèi)裂。 （1）外裂： 是在鑄件表面可以看見(jiàn)的熱裂稱(chēng)為外裂，裂口從鑄件的表面開(kāi)始，逐漸延伸到鑄件內(nèi)部，表面寬而內(nèi)部窄，

3、裂口有時(shí)貫穿鑄件整個(gè)斷面。外裂常產(chǎn)生在鑄件的拐角處、截面厚度有突變或局部冷凝慢且在凝固時(shí)承受拉應(yīng)力的地方開(kāi)始。 （2）內(nèi)裂：隱藏在鑄件內(nèi)部的裂紋為內(nèi)裂。通常產(chǎn)生在鑄件內(nèi)部最后凝固的部位，也常出現(xiàn)在縮孔附近或縮孔尾部。裂口的表面很不規(guī)則，常有很多分叉（如圖所示）。在通常情況下內(nèi)裂不會(huì)延伸到鑄件表面，故人們不易發(fā)覺(jué)，需用X射線(xiàn)、超聲波探傷等檢查。由于內(nèi)裂與外界隔開(kāi)，故氧化程度不如外裂明顯。,鑄件的內(nèi)裂（透視）,對(duì)于任何一類(lèi)鑄件，是不允許有裂縫存在的。鑄件的外裂可以從表面看出，如鑄造合金本身的焊接性能好，經(jīng)焊補(bǔ)后可以使用。內(nèi)裂隱藏在鑄件內(nèi)部，不易被發(fā)覺(jué)，他的危險(xiǎn)性更大，往往由于事先未被發(fā)現(xiàn)，在使用中

4、造成嚴(yán)重事故。因此，了解熱裂的形成過(guò)程，對(duì)于在生產(chǎn)中如何防止熱裂的產(chǎn)生具有重要的意義。,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,5,10-2 熱裂形成的溫度范圍及形成機(jī)理,一、熱裂形成的溫度范圍 熱裂是在凝固溫度范圍內(nèi)鄰近固相線(xiàn)時(shí)形成的，或者說(shuō)是在有效結(jié)晶溫度范圍區(qū)間形成的。此時(shí)合金處在固液態(tài)，故又稱(chēng)結(jié)晶裂紋。,圖為采用x射線(xiàn)照像法測(cè)定碳鋼鑄件形成熱裂紋的溫度范圍。 圖中“O”為產(chǎn)生熱裂前一測(cè)試時(shí)刻所記錄的溫度，“x”為在x射線(xiàn)底片上發(fā)現(xiàn)裂紋時(shí)的溫度，熱裂紋產(chǎn)生的溫度應(yīng)在Ox之間。 圖中O是硫含量偏高的情況 是磷含量偏高的情況 由圖可知，碳鋼產(chǎn)生熱裂的溫度是在固相線(xiàn)附近，且隨著硫、磷含量的增加

5、而降低。,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,6,10-2 熱裂形成的溫度范圍及形成機(jī)理,必須指出，在鑄造條件下，合金的結(jié)晶都偏離平衡條件。合金在非衡條件下結(jié)晶，低熔點(diǎn)物質(zhì)被排斥到晶界上，形成晶界偏析，使實(shí)際固相線(xiàn)溫度下移，低于平衡固相線(xiàn)溫度。例如，在碳鋼中，當(dāng)硫含量較高時(shí)，硫?qū)⑴cFe和FeO形成熔點(diǎn)僅為940的三元共晶存在于晶界上。因此，產(chǎn)生熱裂的溫度有時(shí)雖在平衡固相線(xiàn)以下，但不能認(rèn)為它是在合金完全凝固以后形成的。,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,7,10-2 熱裂形成的溫度范圍及形成機(jī)理,通過(guò)分析熱裂紋斷口形貌也可推斷熱裂紋的形成溫度范圍。在掃描電鏡下觀察，在熱裂紋斷口處可以看

6、到樹(shù)枝晶，枝晶表面有層皺褶(如圖)。據(jù)此可推斷，熱裂紋是在固相線(xiàn)以上形成的，此時(shí)，晶間存在液體，在拉伸作用下，枝晶彼此相互移動(dòng)，牽動(dòng)晶間液膜變形、開(kāi)裂，在凝固收縮時(shí)，變形的液體形成皺褶。,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,8,10-2 熱裂形成的溫度范圍及形成機(jī)理,綜上，可以認(rèn)為，熱裂紋是在凝固溫度范圍內(nèi)、鄰近固相線(xiàn)時(shí)形成的，或者說(shuō)是在有效結(jié)晶溫度范圍形成的。 所謂有效結(jié)晶溫度范圍，其上限指合金形成枝晶骨架，線(xiàn)收縮開(kāi)始溫度，其下限為合金凝固終了的溫度。,9-2,線(xiàn)收縮開(kāi)始溫度,凝固終了的溫度,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,9,二、 熱裂形成機(jī)理之液膜理論,1、液膜理論,合金在凝

7、固期間的熱裂傾向性與合金結(jié)晶末期晶體周?chē)囊后w性質(zhì)及其厚度密切相關(guān)。,當(dāng)鑄件凝固到固相線(xiàn)附近時(shí)，晶體周?chē)€有少量未凝固的液體，構(gòu)成一層液膜，初期較厚，溫度越接近固相線(xiàn)，液膜越薄，當(dāng)鑄件全部凝固時(shí)，液膜即告消失。合金中若含有較多的低熔點(diǎn)化合物，如鋼中的S、P，會(huì)使實(shí)際固相線(xiàn)下移，擴(kuò)大凝固溫度范圍，液膜存在時(shí)期相應(yīng)延長(zhǎng)，并相應(yīng)增加凝固期間的收縮量。在結(jié)晶末期，當(dāng)鑄件收縮因,某種原因受到阻礙時(shí)，晶體和晶間液膜在應(yīng)力作用下將被拉伸，當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)，液膜就會(huì)開(kāi)裂，形成晶間裂紋。,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,10,1、液膜理論,10-8,液膜理論認(rèn)為，熱裂紋的形成是由于鑄件在凝固末期晶間存在液

8、膜和鑄件在凝固過(guò)程中受拉應(yīng)力共同作用的結(jié)果。液膜是產(chǎn)生熱裂紋的根本原因，而鑄件收縮受阻是產(chǎn)生熱裂紋的必要條件。,以成分為C0的合金為例，將其結(jié)晶過(guò)程分 為4個(gè)階段,第一階段：合金處于液態(tài)，可以任意流動(dòng)，其收縮系數(shù)沒(méi)有明顯變化。不會(huì)產(chǎn)生熱裂。,第二階段：溫度降低，結(jié)晶出固相，初期固相枝晶未連成骨架，能同液體一起自由流動(dòng)，合金具有很好的流動(dòng)能力，也不產(chǎn)生熱裂紋。隨著溫度下降，相鄰晶粒開(kāi)始接觸，但液體在晶粒之間仍可以自由流動(dòng)，若此時(shí)有拉應(yīng)力存在，產(chǎn)生裂紋，裂紋能被液體充填而愈合。此時(shí)合金處于液固態(tài)，也不產(chǎn)生裂紋。,在鑄件凝固過(guò)程中，為什么在“液膜期”合金產(chǎn)生熱裂的可能性最大？可以用合金的凝固過(guò)程加以

9、解釋。,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,11,液膜理論,10-8,第三階段：合金冷卻到液相線(xiàn)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，液體的流動(dòng)發(fā)生困難。 由于晶間結(jié)合力很弱，在拉應(yīng)力作用下極易產(chǎn)生晶間裂紋，裂紋一旦產(chǎn)生又很難被液態(tài)金屬?gòu)浐?，因此，在該階段產(chǎn)生熱裂的幾率最大。此時(shí)合金處于固液態(tài)。,第四階段：合金處于固態(tài)，在固相線(xiàn)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。,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,12,合金收縮系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線(xiàn) a) 線(xiàn)收縮-溫度區(qū)曲線(xiàn) b) 狀態(tài)圖,利用合金在凝固過(guò)程收縮系數(shù)的急劇改變解釋

10、熱裂容易在實(shí)際固相線(xiàn)溫度以上產(chǎn)生。,液膜理論,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,13,晶間裂紋的形成是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，它取決于許多變化的因素，在這些因素中，晶間液膜的表面張力和液膜厚度具有很大意義。,液膜理論,利用被潤(rùn)濕的玻璃板之間的液膜來(lái)推測(cè)表面張力的作用。 用垂直于玻璃板平面的拉力使一個(gè)玻璃板和另一個(gè)玻璃板脫開(kāi)，為了把液膜拉斷，所需之力為：,p = - 2 F/ b,F-玻璃板同液體接觸的表面積；b -液膜的厚度 可見(jiàn)，把液膜拉斷之力與液體的表面張力、液體同固體的接觸面積成正比，而與液后的厚度成反比。 液膜的表面張力與合金的化學(xué)成分和鑄件冷卻條件有關(guān)。液膜厚薄決定于晶粒大小，晶粒越細(xì)

11、，由于晶粒表面積的增加就降低了單位表面上的液膜數(shù)量和其厚度，故增加了鑄件的抗裂性。因此，凡是能降低晶體和液膜之間表面張力的表面活性元素，都能夠使合金抗裂性下降。鋼中的S、P都屬于表面活性元素，故在一定范圍內(nèi)，隨其含量增加，鋼的抗裂性也隨之下降。,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,14,形核功理論,晶間液體形態(tài)受晶界界面張力ss和固液界面張力sL的平衡關(guān)系支配,ss=2sLcos/2, 液體雙邊角,當(dāng)ss / sL具有不同的數(shù)值時(shí)，可以從0變化到180。=0,液體在晶間鋪展成液膜; =180，液體呈球狀。,二、熱裂形成機(jī)理之形核功理論,這一理論認(rèn)為，熱裂的產(chǎn)生通常要經(jīng)過(guò)裂紋的形核和發(fā)展兩個(gè)

12、階段。根據(jù)理論分析，裂紋的形核容易發(fā)生在固相晶粒相交的液相匯集部位。由于受到結(jié)晶過(guò)程溶質(zhì)再分配而引起的晶界偏析（包括晶界夾雜物）的影響，液相匯集部位的雙邊角也會(huì)因潤(rùn)濕性不同而在0180之間變化。,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,15,二、熱裂形成機(jī)理之形核功理論,當(dāng)A、B、C三個(gè)晶粒受到外力作用時(shí)，液相匯集部位由于應(yīng)力集中將出現(xiàn)微小裂紋。,晶間殘存著少量以孤立形式存在的液體。此時(shí)，裂紋的擴(kuò)展應(yīng)力為：, 切變模量； 泊松比； l 液珠長(zhǎng)度； W 裂紋擴(kuò)展界面能(即內(nèi)聚力)。,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,16,二、熱裂形成機(jī)理之形核功理論,當(dāng)裂紋尖端被液體潤(rùn)濕時(shí)，晶界裂紋的形成

13、功：,可知， =0,枝晶間的液體鋪展成液膜，W=0，合金呈現(xiàn)脆性，很小的應(yīng)力就可使晶間斷裂，形成裂紋。液體的雙邊角越小，裂紋擴(kuò)展界面能w越小，合金則越呈現(xiàn)脆性 。 =180，液體呈球狀，合金呈現(xiàn)良好的塑韌性。,從以上討論可知，形成液膜的低熔點(diǎn)物質(zhì)是產(chǎn)生熱裂的主要根源，應(yīng)采取各種措施消除它的有害作用。但實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，低熔點(diǎn)物質(zhì)在合金中的數(shù)量超過(guò)某一界限以后，反而具有愈合裂紋的作用，即液體在毛細(xì)作用下可填補(bǔ)裂紋使其愈合，反而減輕熱裂的傾向性。 利用愈合現(xiàn)象以控制熱裂紋的產(chǎn)生，尚須注意一點(diǎn)，即晶間存在較多易熔第二相時(shí)，常會(huì)增大合金常溫脆性，因此，必須控制得當(dāng)。,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,1

14、7,10-2 熱裂形成的溫度范圍及形成機(jī)理,液膜理論,由于晶間液體存在的形態(tài)不同，熱裂紋的形成過(guò)程可分為以下兩種情況。,第一種情況： =0,枝晶間的液體鋪展成液膜，其界面張力將兩側(cè)的固體枝晶吸附在一起。液膜的結(jié)合力很低，合金呈脆性，很小的應(yīng)力就可使晶間斷裂，形成裂紋。,10-10,上述熱裂的形成過(guò)程可用圖10-10所示的模型加以解釋。,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,18,10-2 熱裂形成的溫度范圍及形成機(jī)理,液膜理論,晶間液體形態(tài)受晶界界面張力ss和固液界面張力sL的平衡關(guān)系支配,ss=2sLcos,10-10,設(shè)晶間存在厚度為T(mén)的液膜；鑄件收縮受阻時(shí)，液膜兩側(cè)的固相枝晶被拉開(kāi)，如

15、果晶間液體與外界液體相通，液膜端部始終呈平面，不會(huì)產(chǎn)生裂紋，如圖a所示。,若液膜與外界液體隔絕(圖b)，液膜表面形成曲率半徑為r的凹面，在表面張力作用下，始終存在一個(gè)與外界應(yīng)力相平衡的附加應(yīng)力p，其表達(dá)式為,p = - / r,液體的表面張力， r液膜凹面曲徑半徑,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,19,10-2 熱裂形成的溫度范圍及形成機(jī)理,液膜理論,10-10,p = - / r,液體的表面張力， r液膜凹面曲徑半徑,隨著外界作用在晶粒上的應(yīng)力增大，液膜不斷被拉長(zhǎng)，r變小，則附加應(yīng)力p升高。當(dāng)r等于液膜厚度一半時(shí)，r最小，p達(dá)到最大值。液膜再繼續(xù)變形， r再度變大，p值下降，平衡條件

16、遭到破壞，液膜兩側(cè)的晶粒急劇分開(kāi)，形成熱裂紋。,可見(jiàn)，晶間液膜的表面張力和其厚度對(duì)合金抗裂性的影響甚大。液膜界面張力與合金成分有關(guān)，液膜厚度取決于晶粒大小、鑄件冷卻條件和低熔點(diǎn)物含量。凡是降低晶間液膜表面張力的物質(zhì)皆使合金的抗裂性下降。如果晶間存在大量低熔點(diǎn)物質(zhì)，液膜變厚，且熔點(diǎn)下降，也容易產(chǎn)生熱裂紋。,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,20,10-2 熱裂形成的溫度范圍及形成機(jī)理,液膜理論,晶間液體形態(tài)受晶界界面張力ss和固液界面張力sL的平衡關(guān)系支配,第二種情況；晶間殘存著少量以孤立形式存在的液體。此時(shí)，裂紋的擴(kuò)展應(yīng)力為：, 切變模量； 泊松比； l 液珠長(zhǎng)度； W 裂紋擴(kuò)展界面能(

17、即內(nèi)聚力)。,當(dāng)裂紋尖端被液體潤(rùn)濕時(shí)：,由上式可知，液體的雙邊角越小，裂紋擴(kuò)展界面能w越小，合金則越呈現(xiàn)脆性,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,21,二、 熱裂形成機(jī)理之強(qiáng)度理論,對(duì)合金高溫力學(xué)性能的研究表明，在固相線(xiàn)上下溫度范圍內(nèi)合金的強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變都很低，合金呈脆性斷裂。 例如30號(hào)鋼，在室溫時(shí)，其強(qiáng)度極限b480MPa,， 15%，而當(dāng)溫度為14101385時(shí)，強(qiáng)度極限僅為0.75 MPa 2.1MPa， 為0.23%0.45%。,強(qiáng),理,度,論,對(duì)鋁合金進(jìn)行高溫性能實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了溫度高于固相線(xiàn)時(shí)強(qiáng)度及急劇下降的事實(shí)。 例將Al-Cu2合金液注入鑄型中，待試樣溫度降到每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)時(shí)，保

18、溫2min，做拉斷試驗(yàn)，測(cè)量斷裂強(qiáng)度。 圖10-12表示Al-Cu合金的高溫強(qiáng)度與溫度的關(guān)系。 圖10-13表示Al-Cu合金非平衡狀態(tài)下液固態(tài)范圍內(nèi)能夠覺(jué)察到強(qiáng)度時(shí)的線(xiàn)收縮開(kāi)始溫度線(xiàn)。,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,22,強(qiáng)度理論,10-12,T643時(shí)，不具有強(qiáng)度 643時(shí)，強(qiáng)度為0.05Mpa； 隨著溫度的降低，強(qiáng)度緩慢增加。 599時(shí)，強(qiáng)度為0.94MPa； 596時(shí)，強(qiáng)度急劇增加1.53MPa。 之后在隨著溫度的降低，強(qiáng)度急劇升高 合金剛剛具有可測(cè)強(qiáng)度的溫度為熱脆區(qū)上限，強(qiáng)度開(kāi)始急劇增加的溫度為熱脆區(qū)下限。這個(gè)溫度范圍即為“熱脆區(qū)”，熱裂在熱脆區(qū)內(nèi)形成的。 熱脆區(qū)的上限是枝

19、晶彼此相連構(gòu)成連續(xù)骨架的溫度，下限則在固相線(xiàn)附近。,課堂提問(wèn)：熱脆區(qū)與有效結(jié)晶溫度范圍,圖10-13表示Al-Cu合金非平衡狀態(tài)下液固態(tài)范圍內(nèi)能夠覺(jué)察到強(qiáng)度時(shí)的線(xiàn)收縮開(kāi)始溫度線(xiàn)。,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,23,二、 熱裂形成機(jī)理之強(qiáng)度理論,強(qiáng)度理論,Al-Cu合金在固相線(xiàn)附近時(shí)的塑性 ,Al-Cu合金在固相線(xiàn)溫度附近時(shí)的塑性如圖所示。可見(jiàn)，合金在固相線(xiàn)附近時(shí)延伸率極低，基本上呈現(xiàn)脆性。 鑄件凝固時(shí)如能自由收縮，不受外部和內(nèi)部阻力，即使合金在凝固期呈現(xiàn)較低的強(qiáng)度和塑性，也不至形成熱裂。而事實(shí)上，由于鑄件形狀不同，凝固收縮時(shí)往往受到鑄型、型芯、鑄件結(jié)構(gòu)本身以及澆注系統(tǒng)等各種阻力，致

20、使鑄件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。如果應(yīng)力超過(guò)金屬在該溫度下的強(qiáng)度，即產(chǎn)生熱裂。,熱裂紋的產(chǎn)生主要決定于在熱脆區(qū)TB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(duì)比關(guān)系。,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,24,二、 熱裂形成機(jī)理之強(qiáng)度理論,強(qiáng)度理論,產(chǎn)生熱裂紋的條件可用下圖描述。,橫坐標(biāo)為溫度，縱坐標(biāo)為鑄件產(chǎn)生的應(yīng)變()和合金的斷裂應(yīng)變()。熱脆區(qū)以TB表示。 由圖可知，合金在熱脆區(qū)內(nèi)的斷裂應(yīng)變隨溫度變化，即=（T）。鑄件收縮受阻所產(chǎn)生的應(yīng)變()為溫度的函數(shù)，即 = f（T）。 當(dāng)TB及一定時(shí)，能否產(chǎn)生熱裂紋取決于在TB中的變化情況。,如果應(yīng)變()按直線(xiàn)1變化，不產(chǎn) 生熱裂紋；,若為直線(xiàn)2時(shí)，

21、 = ，是產(chǎn)生熱裂紋的臨界條件；,若為直線(xiàn)3時(shí)，則必然產(chǎn)生熱裂紋。,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,25,二、 熱裂形成機(jī)理之強(qiáng)度理論,強(qiáng)度理論,鑄件的熱裂傾向性最終是由TB、和的綜合影響所決定的。 熱脆性區(qū)越大，金屬處在低塑性區(qū)的時(shí)間越長(zhǎng)，則越易形成熱裂。 在熱脆區(qū)內(nèi)金屬的斷裂應(yīng)變?cè)降?，鑄件的越大，則越容易產(chǎn)生熱裂。 研究表明，合金在熱脆區(qū)內(nèi)的斷裂應(yīng)變遠(yuǎn)大于在該溫度的自由線(xiàn)收縮率。這就是說(shuō)，即使鑄件收縮受到剛性阻礙，如果鑄件能均勻變形，也不會(huì)產(chǎn)生熱裂。但是，實(shí)際生產(chǎn)中，鑄件都是受阻收縮，鑄件收縮受阻時(shí)，熱節(jié)處將產(chǎn)生集中變形。鑄件的溫度分布不均勻，集中變形越嚴(yán)重，產(chǎn)生熱裂的可能性就越大

22、。,綜上，強(qiáng)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。,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,26,10-3 影響熱裂形成因素和防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑,一、影響因素 根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料，對(duì)影響鑄件產(chǎn)生熱裂紋的因素歸納分為：鑄造合金性質(zhì)、鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)四方面的作用?，F(xiàn)分析如下： 、鑄造合金性質(zhì)的影響 （1）化學(xué)成分對(duì)熱脆區(qū)的影響 合金的熱脆區(qū)越大，熱裂傾向性越大，而熱脆區(qū)的大小與合金的化學(xué)成分有關(guān)。,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,27,10-3 影響熱裂的因素和防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑,以典型固溶體合金

23、為例，假設(shè)合金的固相線(xiàn)TS和液相線(xiàn)TL為直線(xiàn)。如圖所示，合金的原始成分為C0，其結(jié)晶溫度范圍可表示為：,鑄造合金性質(zhì),（1）化學(xué)成分對(duì)熱脆區(qū)的影響,Tf 合金結(jié)晶溫度范圍， m液相線(xiàn)斜率， k0 平衡分配系數(shù)。,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,28,鑄造合金性質(zhì),令,則有,rf值越大，Tf越大。一般來(lái)說(shuō)，合金的熱脆 區(qū)TB隨結(jié)晶溫度范圍Tf的增大而增大。所以rf值越大，合金的熱脆區(qū)也就越大。幾種常見(jiàn)元素在鐵基合金中的rf值如表所示?？梢钥闯?，硫、磷等元素在鐵合金中的rf值很大，具有增大熱脆區(qū)的作用。因此，在鑄鋼中，為了防止產(chǎn)生熱裂紋，最基本的措施就是嚴(yán)格控制磷和硫的含量。,課堂提問(wèn)：為

24、什么在鐵基合金中S、P具有很高的rf？,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,29,鑄造合金性質(zhì),a.化學(xué)成分對(duì)熱脆區(qū)的影響,右圖為有限固溶體共晶型合金的熱裂傾向性，圖中陰影部分是合金的熱脆區(qū)。由圖可見(jiàn)，熱脆區(qū)越大，合金的熱裂傾向性則越大，成分越靠近共晶點(diǎn)，熱裂傾向越小。 課堂提問(wèn)： （1）為什么結(jié)晶溫度范圍越寬的合金熱裂傾向性越大？ （2）共晶成分的合金在凝固后期也有液膜存在，為什么產(chǎn)生熱裂傾向?。?思考題：試述Fe-C合金熱裂傾向與 相圖的關(guān)系,有效結(jié)晶溫度區(qū)間與熱裂傾向關(guān)系示意圖,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,30,鑄造合金性質(zhì),b.化學(xué)成分與晶間層形態(tài),熱裂紋的產(chǎn)生與晶間層

25、性質(zhì)密切相關(guān)。晶界上存在易熔第三相且鋪展為液膜時(shí)，熱裂傾向顯著增大；若呈球狀，熱裂傾向性則顯著減小。例如，在鑄鋼中，當(dāng)S，Mn含量滿(mǎn)足Mn3S6.7時(shí)，硫化物呈球狀，熱裂傾向明顯減輕。,d.合金的收縮量和相變,晶粒越粗大，柱狀晶方向越明顯，產(chǎn)生熱裂的傾向性就越大。這是由于晶粒粗大，晶間的結(jié)合力低，而柱狀晶的晶間強(qiáng)度又低于等軸晶。某些合金鋼鑄件往往具有粗大的柱狀晶組織，故容易產(chǎn)生熱裂紋。,c.晶粒形狀及尺寸,合金的收縮量越大，則越容易產(chǎn)生熱裂紋?；诣T鐵在凝固過(guò)程中發(fā)生石墨化膨脹，所以灰鑄鐵不易產(chǎn)生熱裂，而可鍛鑄鐵和鑄鋼件熱裂傾向性較大。,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,31,鑄型阻力的大

26、小主要決定于鑄型的退讓性，濕型的退讓性比干型好，采用濕型生產(chǎn)鑄件熱裂傾向性小。所有有機(jī)粘結(jié)劑型砂都有很好的退讓性，故可以減輕鑄件產(chǎn)生熱裂的傾向性。 鑄件產(chǎn)生熱裂的傾向性還與鑄型退讓的時(shí)刻有關(guān)。例如，粘土砂加熱到1250以上有較好的退讓性(圖)，如果型砂受熱而引起的抗壓強(qiáng)度達(dá)最大值的時(shí)刻恰好與鑄件凝固即將結(jié)束的時(shí)刻相吻合，產(chǎn)生熱裂的可能性最大。所以采用粘土砂制造薄壁件的型芯時(shí)應(yīng)注意改善型芯的退讓性。砂箱的箱檔和芯骨離鑄件太近，會(huì)加大鑄件收縮阻力，鑄件容易產(chǎn)生熱裂。,鑄型方面的影響,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,32,a.澆冒口系統(tǒng) 靠近澆冒口部位溫度高，冷卻速度較慢，易產(chǎn)生集中變形，故

27、易形成熱裂。因此，為防止鑄件產(chǎn)生縮孔而采用順序凝固原則時(shí)，則要根據(jù)合金的特點(diǎn)和可能出現(xiàn)的缺陷(熱裂紋)綜合考慮。 澆冒口的布置也可能造成鑄件收縮時(shí)的機(jī)械阻礙，導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生熱裂(圖)。鑄件的披縫也會(huì)阻礙鑄件收縮，引起熱裂。,澆注條件的影響,(b)澆注工藝 澆注工藝對(duì)熱裂傾向性的影響沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)單的規(guī)律。 提高澆注溫度可減輕薄壁鑄件的熱裂傾向。這是因?yàn)椋阂环矫妫龃罅烁邷貙?duì)鑄型材料的熱作用時(shí)間，使之失去強(qiáng)度，提高鑄型的退讓性；另一方面，降低了鑄件收縮速度和集中變形程度。但對(duì)于厚大鑄件，澆注溫度過(guò)高，會(huì)使鑄件晶粒粗大，晶間結(jié)合力降低，增加熱裂的傾向性。此外，過(guò)高的澆注溫度往往容易引起鑄件粘砂或與金屬型

28、壁粘合，阻礙鑄件收縮，引起熱裂。澆注速度對(duì)熱裂也產(chǎn)生影響，澆注薄壁鑄件，希望型腔內(nèi)液面上升速度較快，防止局部過(guò)熱，而對(duì)于厚壁鑄件則要求澆注速度盡可能慢一些。,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,33,一、影響因素,鑄件結(jié)構(gòu)的影響,鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，在尖角處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，熱裂則容易在這些部分產(chǎn)生。例如，鑄件兩壁直角相交，兩壁十字相交或相交處圓角過(guò)小，在交接處容易產(chǎn)生熱裂(圖a)，若改用(圖b) 圓弧形過(guò)渡，則可消除熱裂紋。,鑄件厚薄不均，各處冷卻速度不同，溫度分布極不均勻，厚大部分產(chǎn)生較大的集中變形，容易產(chǎn)生熱裂紋。 澆冒口開(kāi)設(shè)不當(dāng)，或由于結(jié)構(gòu)原因，鑄件收縮嚴(yán)重受阻礙，則增大鑄件收縮應(yīng)力，在熱節(jié)處產(chǎn)生過(guò)大的集中變形，容易產(chǎn)生熱裂。,2020/9/22,東北大學(xué)秦皇島分校,34,二、防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑,根據(jù)以上討論可知，凡是能夠減小熱裂傾向性的因素均可據(jù)以制定出防止鑄件產(chǎn)生熱裂的措施。具體而言具體有以下幾個(gè)方面：,1、合金成分、熔煉工藝,(1) 在不影響鑄件使用性能的前提下，可適當(dāng)調(diào)整合金的化學(xué)成分，或選擇熱裂傾向性較小的合金。例如，選用接近共晶成分的合金。,(2) 減小合金中的有害雜質(zhì)。應(yīng)盡可能地降低鋼中硫、磷的含量，硫?qū)崃训挠绊懞艽?。因此，?yīng)嚴(yán)格控制爐料中硫含量，并在熔化過(guò)程中加強(qiáng)脫硫脫磷,(3) 改善合金的脫氧