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1、2019/10/19,第十章,材料加工工程 林晓娉,热,裂,2019/10/19,东北大学秦皇岛分校,2,在应力与致脆因素的共同作用下，使材料的原子结合遭到破坏，在形成新界面时产生的缝隙称为裂纹。金属在加工和使用过程中，可能会出现各种各样的裂纹，如热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹等。本章将就热裂的产生机理，缓解（或消除）措施进行讲解。,10-1 铸件热裂的概述,10-2 热裂形成的温度范围及形成机理,10-3 影响热裂的因素和防止途径,铸件的热裂,2019/10/19,东北大学秦皇岛分校,3,10-1 铸件热裂的概述,热裂纹是铸钢件、可锻铸铁件和某些轻合金铸件生产中最常见的铸造
2、缺陷之一。合金的热裂性是重要的铸造性能之一。热裂纹的形式：凝固裂纹、液化裂纹和高温失延裂纹等，其中最常见的是凝固裂纹。,1、热裂的特征（如图所示）：,（1）外观特征：裂口外观形状曲折而不规则、不光滑；裂口表面呈氧化色(铸钢件近似黑色，铝合金呈暗灰色)；当铸钢件缓慢冷却时，裂口的边缘尚有脱碳现象。 （2）微观特征：裂纹是沿晶界产生和发展。 根据裂口的形状、颜色的特征，证明裂缝是在高温下形成的，故这种裂缝称为热裂。,2019/10/19,东北大学秦皇岛分校,4,2、热裂的分类 热裂分为外裂和内裂。 （1）外裂： 是在铸件表面可以看见的热裂称为外裂，裂口从铸件的表面开始，逐渐延伸到铸件内部，表面宽而
3、内部窄，裂口有时贯穿铸件整个断面。外裂常产生在铸件的拐角处、截面厚度有突变或局部冷凝慢且在凝固时承受拉应力的地方开始。 （2）内裂：隐藏在铸件内部的裂纹为内裂。通常产生在铸件内部最后凝固的部位，也常出现在缩孔附近或缩孔尾部。裂口的表面很不规则，常有很多分叉（如图所示）。在通常情况下内裂不会延伸到铸件表面，故人们不易发觉，需用X射线、超声波探伤等检查。由于内裂与外界隔开，故氧化程度不如外裂明显。,铸件的内裂（透视）,对于任何一类铸件，是不允许有裂缝存在的。铸件的外裂可以从表面看出，如铸造合金本身的焊接性能好，经焊补后可以使用。内裂隐藏在铸件内部，不易被发觉，他的危险性更大，往往由于事先未被发现，
4、在使用中造成严重事故。因此，了解热裂的形成过程，对于在生产中如何防止热裂的产生具有重要的意义。,2019/10/19,东北大学秦皇岛分校,5,10-2 热裂形成的温度范围及形成机理,一、热裂形成的温度范围 热裂是在凝固温度范围内邻近固相线时形成的，或者说是在有效结晶温度范围区间形成的。此时合金处在固液态，故又称结晶裂纹。,图为采用x射线照像法测定碳钢铸件形成热裂纹的温度范围。 图中“O”为产生热裂前一测试时刻所记录的温度，“x”为在x射线底片上发现裂纹时的温度，热裂纹产生的温度应在Ox之间。 图中O是硫含量偏高的情况 是磷含量偏高的情况 由图可知，碳钢产生热裂的温度是在固相线附近，且随着硫、磷
5、含量的增加而降低。,2019/10/19,东北大学秦皇岛分校,6,10-2 热裂形成的温度范围及形成机理,必须指出，在铸造条件下，合金的结晶都偏离平衡条件。合金在非衡条件下结晶，低熔点物质被排斥到晶界上，形成晶界偏析，使实际固相线温度下移，低于平衡固相线温度。例如，在碳钢中，当硫含量较高时，硫将与Fe和FeO形成熔点仅为940的三元共晶存在于晶界上。因此，产生热裂的温度有时虽在平衡固相线以下，但不能认为它是在合金完全凝固以后形成的。,2019/10/19,东北大学秦皇岛分校,7,10-2 热裂形成的温度范围及形成机理,通过分析热裂纹断口形貌也可推断热裂纹的形成温度范围。在扫描电镜下观察，在热裂
6、纹断口处可以看到树枝晶，枝晶表面有层皱褶(如图)。据此可推断，热裂纹是在固相线以上形成的，此时，晶间存在液体，在拉伸作用下，枝晶彼此相互移动，牵动晶间液膜变形、开裂，在凝固收缩时，变形的液体形成皱褶。,2019/10/19,东北大学秦皇岛分校,8,10-2 热裂形成的温度范围及形成机理,综上，可以认为，热裂纹是在凝固温度范围内、邻近固相线时形成的，或者说是在有效结晶温度范围形成的。 所谓有效结晶温度范围，其上限指合金形成枝晶骨架，线收缩开始温度，其下限为合金凝固终了的温度。,9-2,线收缩开始温度,凝固终了的温度,2019/10/19,东北大学秦皇岛分校,9,二、 热裂形成机理之液膜理论,1、
7、液膜理论,合金在凝固期间的热裂倾向性与合金结晶末期晶体周围的液体性质及其厚度密切相关。,当铸件凝固到固相线附近时，晶体周围还有少量未凝固的液体，构成一层液膜，初期较厚，温度越接近固相线，液膜越薄，当铸件全部凝固时，液膜即告消失。合金中若含有较多的低熔点化合物，如钢中的S、P，会使实际固相线下移，扩大凝固温度范围，液膜存在时期相应延长，并相应增加凝固期间的收缩量。在结晶末期，当铸件收缩因,某种原因受到阻碍时，晶体和晶间液膜在应力作用下将被拉伸，当应力足够大时，液膜就会开裂，形成晶间裂纹。,2019/10/19,东北大学秦皇岛分校,10,1、液膜理论,10-8,液膜理论认为，热裂纹的形成是由于铸件
8、在凝固末期晶间存在液膜和铸件在凝固过程中受拉应力共同作用的结果。液膜是产生热裂纹的根本原因，而铸件收缩受阻是产生热裂纹的必要条件。,以成分为C0的合金为例，将其结晶过程分 为4个阶段,第一阶段：合金处于液态，可以任意流动，其收缩系数没有明显变化。不会产生热裂。,第二阶段：温度降低，结晶出固相，初期固相枝晶未连成骨架，能同液体一起自由流动，合金具有很好的流动能力，也不产生热裂纹。随着温度下降，相邻晶粒开始接触，但液体在晶粒之间仍可以自由流动，若此时有拉应力存在，产生裂纹，裂纹能被液体充填而愈合。此时合金处于液固态，也不产生裂纹。,在铸件凝固过程中，为什么在“液膜期”合金产生热裂的可能性最大？可以
9、用合金的凝固过程加以解释。,2019/10/19,东北大学秦皇岛分校,11,液膜理论,10-8,第三阶段：合金冷却到液相线以下某温度后，枝晶彼此接触，连成骨架，并不断挤在一起，晶间存在液相但很少，液体的流动发生困难。 由于晶间结合力很弱，在拉应力作用下极易产生晶间裂纹，裂纹一旦产生又很难被液态金属弥合，因此，在该阶段产生热裂的几率最大。此时合金处于固液态。,第四阶段：合金处于固态，在固相线附近合金的塑性好，在应力作用下，很容易发生塑性变形，形成裂纹的几率很小。,2019/10/19,东北大学秦皇岛分校,12,合金收缩系数与温度的关系曲线 a) 线收缩-温度区曲线 b) 状态图,利用合金在凝固过
10、程收缩系数的急剧改变解释热裂容易在实际固相线温度以上产生。,液膜理论,2019/10/19,东北大学秦皇岛分校,13,晶间裂纹的形成是一个复杂的过程，它取决于许多变化的因素，在这些因素中，晶间液膜的表面张力和液膜厚度具有很大意义。,液膜理论,利用被润湿的玻璃板之间的液膜来推测表面张力的作用。 用垂直于玻璃板平面的拉力使一个玻璃板和另一个玻璃板脱开，为了把液膜拉断，所需之力为：,p = - 2 F/ b,F-玻璃板同液体接触的表面积；b -液膜的厚度 可见，把液膜拉断之力与液体的表面张力、液体同固体的接触面积成正比，而与液后的厚度成反比。 液膜的表面张力与合金的化学成分和铸件冷却条件有关。液膜厚
11、薄决定于晶粒大小，晶粒越细，由于晶粒表面积的增加就降低了单位表面上的液膜数量和其厚度，故增加了铸件的抗裂性。因此，凡是能降低晶体和液膜之间表面张力的表面活性元素，都能够使合金抗裂性下降。钢中的S、P都属于表面活性元素，故在一定范围内，随其含量增加，钢的抗裂性也随之下降。,2019/10/19,东北大学秦皇岛分校,14,形核功理论,晶间液体形态受晶界界面张力ss和固液界面张力sL的平衡关系支配,ss=2sLcos/2, 液体双边角,当ss / sL具有不同的数值时，可以从0变化到180。=0,液体在晶间铺展成液膜; =180，液体呈球状。,二、热裂形成机理之形核功理论,这一理论认为，热裂的产生通
12、常要经过裂纹的形核和发展两个阶段。根据理论分析，裂纹的形核容易发生在固相晶粒相交的液相汇集部位。由于受到结晶过程溶质再分配而引起的晶界偏析（包括晶界夹杂物）的影响，液相汇集部位的双边角也会因润湿性不同而在0180之间变化。,2019/10/19,东北大学秦皇岛分校,15,二、热裂形成机理之形核功理论,当A、B、C三个晶粒受到外力作用时，液相汇集部位由于应力集中将出现微小裂纹。,晶间残存着少量以孤立形式存在的液体。此时，裂纹的扩展应力为：, 切变模量； 泊松比； l 液珠长度； W 裂纹扩展界面能(即内聚力)。,2019/10/19,东北大学秦皇岛分校,16,二、热裂形成机理之形核功理论,当裂纹
13、尖端被液体润湿时，晶界裂纹的形成功：,可知， =0,枝晶间的液体铺展成液膜，W=0，合金呈现脆性，很小的应力就可使晶间断裂，形成裂纹。液体的双边角越小，裂纹扩展界面能w越小，合金则越呈现脆性 。 =180，液体呈球状，合金呈现良好的塑韧性。,从以上讨论可知，形成液膜的低熔点物质是产生热裂的主要根源，应采取各种措施消除它的有害作用。但实践发现，低熔点物质在合金中的数量超过某一界限以后，反而具有愈合裂纹的作用，即液体在毛细作用下可填补裂纹使其愈合，反而减轻热裂的倾向性。 利用愈合现象以控制热裂纹的产生，尚须注意一点，即晶间存在较多易熔第二相时，常会增大合金常温脆性，因此，必须控制得当。,2019/
14、10/19,东北大学秦皇岛分校,17,10-2 热裂形成的温度范围及形成机理,液膜理论,由于晶间液体存在的形态不同，热裂纹的形成过程可分为以下两种情况。,第一种情况： =0,枝晶间的液体铺展成液膜，其界面张力将两侧的固体枝晶吸附在一起。液膜的结合力很低，合金呈脆性，很小的应力就可使晶间断裂，形成裂纹。,10-10,上述热裂的形成过程可用图10-10所示的模型加以解释。,2019/10/19,东北大学秦皇岛分校,18,10-2 热裂形成的温度范围及形成机理,液膜理论,晶间液体形态受晶界界面张力ss和固液界面张力sL的平衡关系支配,ss=2sLcos,10-10,设晶间存在厚度为T的液膜；铸件收缩
15、受阻时，液膜两侧的固相枝晶被拉开，如果晶间液体与外界液体相通，液膜端部始终呈平面，不会产生裂纹，如图a所示。,若液膜与外界液体隔绝(图b)，液膜表面形成曲率半径为r的凹面，在表面张力作用下，始终存在一个与外界应力相平衡的附加应力p，其表达式为,p = - / r,液体的表面张力， r液膜凹面曲径半径,2019/10/19,东北大学秦皇岛分校,19,10-2 热裂形成的温度范围及形成机理,液膜理论,10-10,p = - / r,液体的表面张力， r液膜凹面曲径半径,随着外界作用在晶粒上的应力增大，液膜不断被拉长，r变小，则附加应力p升高。当r等于液膜厚度一半时，r最小，p达到最大值。液膜再继续
16、变形， r再度变大，p值下降，平衡条件遭到破坏，液膜两侧的晶粒急剧分开，形成热裂纹。,可见，晶间液膜的表面张力和其厚度对合金抗裂性的影响甚大。液膜界面张力与合金成分有关，液膜厚度取决于晶粒大小、铸件冷却条件和低熔点物含量。凡是降低晶间液膜表面张力的物质皆使合金的抗裂性下降。如果晶间存在大量低熔点物质，液膜变厚，且熔点下降，也容易产生热裂纹。,2019/10/19,东北大学秦皇岛分校,20,10-2 热裂形成的温度范围及形成机理,液膜理论,晶间液体形态受晶界界面张力ss和固液界面张力sL的平衡关系支配,第二种情况；晶间残存着少量以孤立形式存在的液体。此时，裂纹的扩展应力为：, 切变模量； 泊松比； l 液珠长度； W 裂纹扩展界面能(即内聚力)。,当裂纹尖端被液体润湿时：,由上式可知，液体的双边角越小，裂纹扩展界面能w越小，合金则越呈现脆性,2019/10/19,东北大学秦皇岛分
