第十章铸件的热裂

1、第十章第十章 铸件的热裂铸件的热裂10-1 概述概述基本概念基本概念热裂：热裂：铸件在凝固过程中和随后在固相线附近收缩时，由于铸件在凝固过程中和随后在固相线附近收缩时，由于外力或内应力或二者作用的结果，使铸件发生的裂纹。外力或内应力或二者作用的结果，使铸件发生的裂纹。热裂外观特征：热裂外观特征：裂纹表面呈氧化色；不光滑；有树枝晶裂纹表面呈氧化色；不光滑；有树枝晶裂纹产生区：裂纹产生区：沿晶界产生和发展沿晶界产生和发展热裂分布：热裂分布：外裂和内裂外裂和内裂外裂分布及特征：外裂分布及特征：铸件表面；表面宽，内部窄；产生于铸件的拐角、截面厚度突变铸件表面；表面宽，内部窄；产生于铸件的拐角、截面厚度

2、突变或局部冷凝慢且在凝固时承受拉应力的地方。或局部冷凝慢且在凝固时承受拉应力的地方。内裂分布及特征：内裂分布及特征：沿晶分布；产生于铸件内部最后凝固的部位，也出现在缩孔附近沿晶分布；产生于铸件内部最后凝固的部位，也出现在缩孔附近或缩孔尾部。或缩孔尾部。热裂的危害：热裂的危害：严重影响机械性能；严重裂纹扩展使铸件断裂。严重影响机械性能；严重裂纹扩展使铸件断裂。热裂补救措施：热裂补救措施：外裂外裂补焊补焊内裂内裂无良好办法无良好办法10-2 热裂形成的温度范围及形成机热裂形成的温度范围及形成机理理一、热裂形成的温度范围一、热裂形成的温度范围碳钢产生热裂的温度是在固相线附近，随硫磷含量增高而降低碳钢

3、产生热裂的温度是在固相线附近，随硫磷含量增高而降低热裂纹是在固相线以上形成，且其形成温度随应变速率的增加热裂纹是在固相线以上形成，且其形成温度随应变速率的增加而升高而升高图图10-7热裂纹是在固相线以上形成的热裂纹是在固相线以上形成的结论：结论：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内形成的。所谓在有效结晶温度范围内形成的。所谓有效结晶温度范围有效结晶温度范围，其上，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温度。终了温度。二、热裂形

4、成机理二、热裂形成机理形成机理两形成机理两主要理论主要理论1.液膜理论液膜理论2.强度理论强度理论热裂纹形成是由于铸件在凝固末期晶间存在液膜热裂纹形成是由于铸件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。和铸件在凝固过程中受拉应力共同作用的结果。固相骨架已形成并开始线收缩，由于收缩受阻，固相骨架已形成并开始线收缩，由于收缩受阻，铸件中产生应力和变形。当应力或变形超过合金铸件中产生应力和变形。当应力或变形超过合金在该温度下的强度极限或变形能力时，铸件便产在该温度下的强度极限或变形能力时，铸件便产生裂纹。生裂纹。1.液膜理论液膜理论液膜是产生热裂纹的根本原因，铸件收缩受阻是产生

5、热裂纹的液膜是产生热裂纹的根本原因，铸件收缩受阻是产生热裂纹的必要条件。必要条件。论证推理过程：论证推理过程：第一阶段：第一阶段：合金处于液态，可以任意流动，不会产生热裂。合金处于液态，可以任意流动，不会产生热裂。第二阶段：第二阶段：合金的温度已经降到液相线以下，析出固相，初期固相枝晶合金的温度已经降到液相线以下，析出固相，初期固相枝晶悬浮在液体中，未连成骨架，悬浮在液体中，未连成骨架，固相能同液体一起自由流动，固相能同液体一起自由流动，合金仍有良好的流动能力，也不产生热裂纹。随着温度下降，合金仍有良好的流动能力，也不产生热裂纹。随着温度下降，固相不断增加，相邻晶粒之间开始接触，但固相不断增加

6、，相邻晶粒之间开始接触，但液体在晶粒之间液体在晶粒之间仍可以自由流动仍可以自由流动，若此时有拉应力存在，一旦产生裂纹，裂纹，若此时有拉应力存在，一旦产生裂纹，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。能被液体充填而愈合。此时合金处于液固态，也不产生裂纹。第三阶段：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，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，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液体的流动发生困难。由于晶间结合力弱，在拉应力作用下极易产生晶间裂纹，裂纹由于晶间结合力弱，在拉应力作用下极易产

7、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。几率最大。此时合金处于固液态。第四阶段：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。容易发生塑性变形，形成裂纹的几率很小。合金热裂倾向与晶间液体的相关关系：合金热裂倾向与晶间液体的相关关系：晶间晶间液体铺展液膜时，热裂倾向显著增大；晶间液体呈球状而液体铺展液膜时，热裂倾向显著增大；晶间液体呈球状而不易铺展时，合金热裂倾向明显减轻

8、不易铺展时，合金热裂倾向明显减轻。2cos2SLSS晶间液体的形态受界面张力和固液界面张力的平衡关系支配：晶间液体的形态受界面张力和固液界面张力的平衡关系支配：，液体呈球状。膜；，液体在晶间铺展成液oo1800热裂纹形成过程可以分为两种：热裂纹形成过程可以分为两种：1）双边角为）双边角为0。rp当作用于晶粒外力增大时，液膜被拉长，曲率半径变小，附加当作用于晶粒外力增大时，液膜被拉长，曲率半径变小，附加应力升高。当曲率半径等于液膜厚度一半，附加应力达到最大。应力升高。当曲率半径等于液膜厚度一半，附加应力达到最大。液膜再继续变形，曲率半径会增大，附加应力下降，平衡条件液膜再继续变形，曲率半径会增大

9、，附加应力下降，平衡条件遭到破坏，液膜两侧的晶粒急剧分开，形成热裂纹。遭到破坏，液膜两侧的晶粒急剧分开，形成热裂纹。晶间液膜的表面张力和厚度对抗裂性的影响：晶间液膜的表面张力和厚度对抗裂性的影响：液膜的界面张力与合金化学成分、温度以及吸附元素等有关。液膜的界面张力与合金化学成分、温度以及吸附元素等有关。表面活性物质皆使合金的抗裂性下降。诸如钢中的硫、磷等。表面活性物质皆使合金的抗裂性下降。诸如钢中的硫、磷等。液膜的厚度取决于晶粒的大小、铸件的冷却条件和低熔点组成物液膜的厚度取决于晶粒的大小、铸件的冷却条件和低熔点组成物的含量。的含量。晶间存在大量低熔点物质，液膜变厚，且熔点下降，也容易产生晶间

10、存在大量低熔点物质，液膜变厚，且熔点下降，也容易产生裂纹，即厚度越大，越容易产生热裂。裂纹，即厚度越大，越容易产生热裂。2）晶间残存着少量以孤立形式存在的液体）晶间残存着少量以孤立形式存在的液体在外力作用下，液体汇集部位产生应力集中，当该应力大于在外力作用下，液体汇集部位产生应力集中，当该应力大于合金此时此刻的强度时，形成微裂纹。合金此时此刻的强度时，形成微裂纹。lW1812cos12SSSSSLW形成液膜的低熔点物质是产生热裂的主要根源。但形成液膜的低熔点物质是产生热裂的主要根源。但低熔点物质低熔点物质在合金中的数量超过某一界限以后在合金中的数量超过某一界限以后，反而具有，反而具有愈合裂纹的

11、作用愈合裂纹的作用。即液体在毛细作用下填补了裂纹。即液体在毛细作用下填补了裂纹。2.强度理论强度理论铸件在凝固末期，固相骨架已经形成并开始线收缩，由于铸件在凝固末期，固相骨架已经形成并开始线收缩，由于线收缩线收缩受阻，铸件中产生应力和变形受阻，铸件中产生应力和变形。当。当应力或变形超过合金在该温度应力或变形超过合金在该温度下的强度极限或变形能力时，铸件便产生热裂纹下的强度极限或变形能力时，铸件便产生热裂纹。热裂是在热裂是在“热脆区热脆区”形成；热脆区就是有效结晶温度区间。形成；热脆区就是有效结晶温度区间。影响热脆区的因素：影响热脆区的因素：热裂纹的产生主要决定于在热脆区内合金的断裂应变与铸件因

12、热裂纹的产生主要决定于在热脆区内合金的断裂应变与铸件因收缩受阻所产生的应变之间的对比关系。收缩受阻所产生的应变之间的对比关系。铸件的应变铸件的应变合金的应变合金的应变铸件应变与断裂应变的关系：铸件应变与断裂应变的关系： T Tf不产生热裂纹不产生热裂纹产生热裂纹的临界条件产生热裂纹的临界条件产生热裂纹产生热裂纹是由热脆区、应变和断裂应变综合决定的。热脆区越大，金属低是由热脆区、应变和断裂应变综合决定的。热脆区越大，金属低塑性时间越长，越易形成热裂。热脆区内金属断裂应变越低，铸塑性时间越长，越易形成热裂。热脆区内金属断裂应变越低，铸件的应变越大，则越容易产生热裂。件的应变越大，则越容易产生热裂。

13、分析：合金的热裂倾向性分析：合金的热裂倾向性结论：结论：强度理论认为，强度理论认为，合金存在热脆区和在热脆区内合金的断裂应变低是合金存在热脆区和在热脆区内合金的断裂应变低是产生热裂纹的重要原因，而铸件的集中变形是产生热裂纹的必要条产生热裂纹的重要原因，而铸件的集中变形是产生热裂纹的必要条件。件。分析：产生热裂的必要条件分析：产生热裂的必要条件由于合金热脆区内的断裂应变远大于合金在该温度的自由线收缩率，由于合金热脆区内的断裂应变远大于合金在该温度的自由线收缩率，铸件均匀变形，也不会产生热裂。只有当铸件收缩受阻产生集中变铸件均匀变形，也不会产生热裂。只有当铸件收缩受阻产生集中变形时，才有可能产生热

14、裂。形时，才有可能产生热裂。10-3 影响热裂形成的因素和防止措施影响热裂形成的因素和防止措施一、影响因素一、影响因素（一）合金性质（一）合金性质1.有效结晶温度区有效结晶温度区2.有效结晶温区绝对线收缩量和相变有效结晶温区绝对线收缩量和相变结晶温区越大，热裂倾向性越大结晶温区越大，热裂倾向性越大收缩量越大，越容易产生裂纹；相变产生膨胀，不易产生裂纹收缩量越大，越容易产生裂纹；相变产生膨胀，不易产生裂纹3.晶粒形状和尺寸晶粒形状和尺寸晶粒小，成等轴晶，越不容易形成热裂晶粒小，成等轴晶，越不容易形成热裂4.化学成分及晶间形态化学成分及晶间形态晶界存在第三相且铺展为液膜，热裂倾向增大；呈球状减小晶

15、界存在第三相且铺展为液膜，热裂倾向增大；呈球状减小防止措施：防止措施：1.选择有效结晶温区小、收缩小的合金选择有效结晶温区小、收缩小的合金2.细化晶粒，球化处理等细化晶粒，球化处理等3.控制熔炼工艺，改进脱氧工艺，尽量去除有害杂质控制熔炼工艺，改进脱氧工艺，尽量去除有害杂质（二）铸型影响（二）铸型影响1.铸型、砂芯阻力：铸型、砂芯阻力：湿型湿型干型干型有机粘结剂砂型有机粘结剂砂型非有机砂型非有机砂型2.铸型与金属的作用：铸型与金属的作用：（1）退让性越大，收缩阻力越小，热裂越小）退让性越大，收缩阻力越小，热裂越小（2）退让时刻：粘土砂）退让时刻：粘土砂1250具有较好的退让性具有较好的退让性化学粘砂及机械粘砂作用越强，热裂越大化学粘砂及机械粘砂作用越强，热裂越大防止措施：防止措施：1.提高退让性：在粘土砂中加木屑；在型芯中加松散材料提高退让性：在粘土砂中加木屑；在型芯中加松散材料2.刷涂料，减小摩擦刷涂料，减小摩擦3.在热节处加冷铁，降低集中变形在热节处加冷铁，降低集中变形（三）浇注条件：（三）浇注条件：1.浇注温度和浇注速度浇注温度