千里之行，始于腳下。第2頁/共2頁精品文檔推薦第一節(jié)：鑄件中的裂紋第一節(jié)鑄件中的裂紋

一熱裂

熱裂是鑄件生產中常見的鑄造缺陷之一，是在高溫下形成的，裂口表面呈氧化群。熱

裂又是沿晶粒邊界產生和進展的，故裂口外

形蜿蜒而不規(guī)章，如圖1－1所示。

圖1－1鑄件中的熱裂

熱裂分為外裂和內裂兩種類型。在鑄件表面可以看到的熱裂紋為外裂，裂口從鑄件表面開頭逐漸延長到鑄件的內部，表面寬內部窄，裂口有時會貫通鑄件囫圇斷面。外裂常產生要鑄件的拐角處、截面厚度有突變處或局部冷凝慢以及產生應力集中的地方。內裂常產生在鑄件內部最后凝固的部位如縮孔附近，裂口表面很不平滑，有分叉。

外裂大部分可以用肉眼就能觀看出來，細小的外裂則需用磁粉和著XXX探傷檢查；內裂必需用射線或超聲波探傷才干檢查出來。

1熱裂的形成機理

熱裂的形成機理到現(xiàn)在為止尚存在分歧。

我們先來看看熱裂紋的形成溫度范圍。

關于熱裂紋的形成溫度范圍說法無數(shù)，歸納起來主要有兩種觀點：一種觀點認為熱

裂紋是在凝固溫度范圍內但鄰近于固相線溫

度時形成的，此時合金處于固－液態(tài)；另一

種觀點認為熱裂紋是在稍低于固相線溫度時

形成的，此時合金處于固態(tài)。

有人對含碳量不同的碳鋼舉行了熱裂形成溫度范圍的討論。該試驗結果表明：不論含碳量多少，碳鋼產生熱裂的溫度都在固相線附近，當鋼中硫、磷含量增高時熱裂溫度便降到固相線下。

必需指出的是：在鑄造條件下，因為鑄件冷卻速度較快而引起的過冷，使液相線和固相線下移，加上合金中存在低熔點組成物，所以實際的固相線有時遠低于平衡狀態(tài)圖中的固相線。

由此可以看出熱裂是在合金臨近徹低凝固時的溫度范圍內形成的。此時大部分合金已凝固成結晶骨架，而在骨架之間還剩有少量的液體。下面我們再來研究熱裂紋的形成機理，主要有兩種理論：強度理論和液膜理論。

（1）強度理論

強度理論認為鑄件在凝固末期，當結晶骨架已經形成并開頭線收縮后，因為收縮受阻，鑄件中就會產生應力或塑性變形，當應力或塑性變形超過了合金在該溫度的強度極限或延長率時鑄件就會開裂。鑄件凝固之后在稍低于固相線時，假如滿足上述條件同樣會形成熱裂。鋼在高溫時很小的鑄造應力或塑性變形就能超過其強度極限從而引起熱裂紋，銅在這方面做的討論工作很少，也會存在同樣的狀況。

（2）液膜理論

液膜理論認為鑄件冷卻到固相線附近時，固體周圍還有少量未凝固的液體構成一層液膜，初期較厚，溫度愈臨近固相線，液膜就愈薄，當鑄件所有凝固時，液膜即告消逝。鑄件在凝固過程中必定經受這個由厚變薄以至消逝的液膜期，在液膜存在期間，當鑄件收縮受阻時，液膜被拉長，當液膜拉長速度超過某一限度時液膜就被拉裂（圖1－2）。

圖1－2液膜被拉斷形成熱裂

2影響熱裂形成的因素

凡是影響合金在熱裂紋形成的溫度范圍內的線收縮、收縮妨礙和合金力學性能（強

度和塑性）的因素，都將對熱裂趨向產生影

響。其中主要與合金性質、鑄型阻力、鑄造

結構、澆冒口的布置和鑄造工藝等方面有關。

（1）合金性質的影響

合金性質對熱裂的影響主要打算于合金在熱裂形成的溫度范圍內的肯定收縮量和強度。在結晶溫度范圍內，當固相形成完整的結晶骨架時線收縮便開頭了，從線收縮開頭到凝固完畢這段溫度范圍內的線收縮率可用下式表示：

E＝α（t始－t固）.（1）

式中：t始――線收縮開頭溫度

t固――不平衡固相線溫度

t始－t固――有效結晶溫度范圍

α――有效結晶溫度范圍內的平均線收縮系數(shù)

由此可見：α和（t始－t固）愈大，則E愈大，在其它條件相同時，E愈大表示有效結晶溫度范圍內鑄件的應力也愈大，熱裂趨向也愈大。

因此，寬結晶溫度范圍內的合金，有效結晶溫度范圍較大，熱裂趨向也愈大；窄結晶溫度范圍內的合金，有效結晶溫度范圍較小，熱裂趨向也愈小。凡是能擴大有效結晶溫度范圍的元素，都將增強熱裂趨向；凡是能減小有效結晶溫度范圍和相變的元素，都將減小熱裂趨向。另外鑄件的初晶組織對熱裂趨向也有影響，粗壯枝晶的晶間強度比細晶的低，柱狀晶的晶間強度不如等軸晶（圖1－3所示）。

圖1－3粗壯柱狀枝晶間裂紋

實際鑄造尤其是半延續(xù)鑄造的冷卻速度比平衡態(tài)要快得多，因而元素蔓延速度遠落后于結晶過程，造成了實際結晶組織從平衡組織的偏離。冷速愈快，偏離愈嚴峻。鑄錠邊部組織因為激冷常與冷卻較慢的XXX組織有顯然的不同。鑄錠的橫截面尺寸愈大，差別愈顯著。

冷卻速度與鑄錠組織的普通關系是：冷卻很小時易浮現(xiàn)粗壯的晶粒和粗疏的枝晶網格；當冷速增大后使結晶前沿形成溫度梯度，造成柱狀晶的浮現(xiàn)和不斷長大，同時枝晶網趨于細密；若冷速進一步增大，過冷度也不斷增大，金屬液內結晶形核率將顯然大于晶粒長大速度，此時晶粒趨于細化，枝晶網可能很細。

在半延續(xù)鑄造中通過對結晶器、二次冷卻水、鑄造速度和澆鑄溫度的挑選，可轉變結晶前沿構成的液穴形態(tài)，同時鑄錠組織也可得到改善。

（2）鑄件結構的影響

鑄件結構設計是否合理對熱裂形成的影響很大。假如設計不合理，使局部造成過厚的熱節(jié)或引起應力集中現(xiàn)象則熱裂易在這些部位形成。鑄件厚薄不一樣，冷卻速度快慢也不同，薄的部位先凝固，降至較低溫度時具有較高的強度，它對厚的部位的凝固起妨礙收縮作用，所以在厚的部分易產生熱裂。

（3）鑄造工藝的影響

因為在澆鑄過程中，鑄造速度慢和冷卻強度較小，造成鑄錠厚度中間位置形成粗壯的柱狀晶，而且鑄錠在最后凝固的中間部分產生拉應力，從而在厚度中間部分形成沿晶界開裂的熱裂紋。冒口設計不合理上大下小的冒口也可能造成鑄件收縮時的機械妨礙，導致鑄件熱裂。

（4）鑄型阻力的影響

鑄件凝固后期舉行線收縮時受到鑄型的阻力愈大，則鑄件內產生的機械阻力愈大，鑄件愈易開裂。

3防止鑄件熱裂的辦法

影響鑄件熱裂的因素是多方面的，預防熱裂主要從削減鑄件收縮時的機械妨礙、熱妨礙和提高合金強度加以考慮。

二鑄造應力

鑄件在凝固后的冷卻過程中，因為溫度下降將繼續(xù)產生收縮，有些合金還會發(fā)生固態(tài)相變而引起的膨脹或收縮，這些都使鑄件的體積和長度發(fā)生變化，假如這種變化受到妨礙，使鑄件中產生應力，稱為鑄造應力。鑄造應力按其形成緣由分為熱應力、相變應力和機械妨礙應力三種。

熱應力：鑄件在冷卻過程中，因為各部分冷卻不全都，便會造成同一期間各部分收縮量不一樣，但鑄件各部分是連成一個整體的，因此，彼此間互相制約的結果便造成了應力，這種因為線收縮受熱妨礙而產生的鑄造應力稱為熱應力。

相變應力：鑄件各部分在冷卻過程中發(fā)生固態(tài)相變時的時光不全都，體積和長度變化的時光也不全都，而彼此又相互制約，結果產生了應力，稱為相變應力。

機械妨礙應力：是鑄件線收縮受到鑄型、型芯、澆冒口等機械妨礙而產生的應力。

假如鑄造應力在鑄件冷至常溫后仍然存在則稱為殘余應力。鑄造應力對鑄件質量有很大的影響，假如鑄造應力超過了合金的屈服強度則產生塑性變形，使鑄件尺寸有所轉變，假如鑄造應力超過了合金的強度極限則產生裂紋，鑄造應力小于合金的彈性極限時則將殘留于鑄件。鑄件有了殘余應力就要用時效或去應力退火消退，否則會降低鑄件的使用性能。

1鑄件在冷卻過程中的熱應力

產生熱應力的緣由是鑄件各部分冷卻速度不全都而引起的收縮量不全都造成的。現(xiàn)以厚度不均的丁字梁為例來研究殘余熱應力的形成過程。

圖1－4T字形梁鑄件

為了分析便利，我們將T字形梁鑄件的厚截面部分稱為A，薄截面部分稱為B。這樣鑄件就可看成桿A和桿B兩部分組成，下面分三個階段來分析T字形梁鑄件的熱應力的形成。第一階段：桿A和桿B都處于塑性狀態(tài)。因為桿B截面較小，冷卻速度較快，收縮量稍大，而桿A溫度較大，收縮量較小，但它們是聯(lián)在一起的一個整體，所以桿A被塑性壓縮，桿B被塑性拉伸，因為是塑性變形，變形后應力基本消逝。

其次階段：桿A仍處于塑性狀態(tài)，桿B進入彈性狀態(tài)。因為彈性桿的變形比塑性桿困難得多，所以囫圇鑄件的收縮由彈性桿來確定，桿A仍處于塑性狀態(tài)，所以變形后應力也基本消逝。

第三階段：兩桿都進入彈性狀態(tài)。在其次階段末期桿A溫度高于桿B，當降至室溫時假如兩桿都能自由收縮，則桿A收縮量比桿B大，但因為二者聯(lián)在一起，收縮時彼此制約，若鑄件不產生彎曲變形，只能是同一長度。因此桿A被彈性拉伸，桿B被彈性壓縮。由于在彈性范圍內應力不能松馳和消逝，便在桿A中殘留拉應力，在桿B中殘留壓應力，這就構成了鑄件中的殘余熱應力。

2相變應力

鑄件在冷卻過程中發(fā)生固態(tài)相變，晶體體積就會發(fā)生變化，從而影響鑄件收縮的方向和數(shù)量。假如相變溫度高于臨界溫度即合金處于塑性狀態(tài)，則不會產生大的相變應力；假如相變溫度低于臨界溫度而且鑄件各部分溫度不全都，相變不同時發(fā)生則會產生相變應力。

3機械妨礙應力

鑄件在冷卻到彈性狀態(tài)后，因為收縮受到機械妨礙而產生的應力稱為機械妨礙應力，表面為拉應力和切應力。

因為機械妨礙應力是在彈性狀態(tài)時產生的，形成的緣由一經消退，應力也隨之消逝。鑄件厚部分的機械妨礙應力與熱應力是同方向的，兩種應力的疊加會使鑄件厚的部分發(fā)生冷裂。薄部分的與熱應力的方向相反，應力可以相互抵消一些，但當鑄件薄的部分機械妨礙應力過大，超過合金的強度極限時也會在薄的部分發(fā)生冷裂。

三鑄件的冷裂

1冷裂的產生和預防

冷裂是鑄件處于彈性狀態(tài)時鑄造應力超過了合金的強度極限而產生的。冷裂往往浮現(xiàn)在鑄件受拉伸的部位，特殊是在應力集中的地方，如內尖角處、縮孔處或非金屬夾雜物附近等。

冷裂紋的特征與熱裂紋不同，形狀常是圓滑曲線或延續(xù)直線狀，而且往往是穿晶斷裂，斷口表面整潔具有金屬光澤或呈輕微的氧化群（圖1－5）。

圖1－5鑄件的冷裂

鑄件的冷裂趨向與鑄造應力及合金的機械性能有密切的關系。影響冷裂的因素與影響鑄造應力的因素是全都的。防止鑄件冷裂的辦法與防止熱裂的辦法大致相同。

2大型鑄件中的內冷裂

以園柱形截面的大型鑄件為例來研究它們在各個階段的應力狀態(tài)。鑄件在結晶凝固后，進入彈性階段以前，因為鑄件截面較大，在冷卻過程中表面和心部浮現(xiàn)較大的溫差，表面冷得快，心部冷得慢，表面受冷降溫后將要收縮，內部因為溫度較高保持一定的長度和體積，這樣便在工件心部產生壓應力，而表面產生拉應力，因為此時的心部處于塑性狀態(tài)，這種應力將隨著工件發(fā)生塑性變形而松馳。

隨著溫度的繼續(xù)下降，工件表面先進入彈性狀態(tài)，心部仍處于塑性狀態(tài)，此時塑性狀態(tài)的心部將發(fā)生塑性變形以保持與表面的收縮統(tǒng)一。繼續(xù)降溫，小心部也要進入彈性狀態(tài)時，因為園柱形工件的外園表面與頂部已形成了一個冷硬的彈性外殼，心部的收縮受到了外殼的劇烈牽制，心部便產生拉應力，外園產生壓應力，這就是鑄件中的熱應力。隨著鑄件冷卻到室溫向來殘留在工件中不能消退。

因為大型工件心部存在很大的殘余應力，因此在隨后的加熱（包括去應力退火、淬火、正火）工序應特殊注重。由于迅速加熱，會使工件內外溫差增大，表面的