1、第十章 铸件的热裂,10-1 概述,基本概念,热裂：,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。,热裂外观特征：,裂纹表面呈氧化色；不光滑；有树枝晶,裂纹产生区：,沿晶界产生和发展,热裂分布：,外裂和内裂,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：,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。,热裂的危害：,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：,外裂补焊,内裂无良好办法,10-2 热裂形成的温度范围及形成机理
2、,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,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,图10-7,热裂纹是在固相线以上形成的,结论：,热裂纹是在凝固温度范围内、邻近固相线时形成的，或者说是在有效结晶温度范围内形成的。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温度。,二、热裂形成机理,形成机理两主要理论,1.液膜理论,2.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，铸件中产生应力和变形。当应力或变形超过合
3、金在该温度下的强度极限或变形能力时，铸件便产生裂纹。,1.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热裂纹的必要条件。,论证推理过程：,第一阶段：,合金处于液态，可以任意流动，不会产生热裂。,第二阶段：,合金的温度已经降到液相线以下，析出固相，初期固相枝晶悬浮在液体中，未连成骨架，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，固相不断增加，相邻晶粒之间开始接触，但液体在晶粒之间仍可以自由流动，若此时有拉应力存在，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。,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
4、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。,合金热裂倾向与晶间液体的相关关系：,晶间液体铺展液膜时，热裂倾向显著增大；晶间液体呈球状而不易铺展时，合金热裂倾向明显减轻。,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：,热裂纹形成过程可以分为两种：,1）双边角为0。,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
5、。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：,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。,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。,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,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。,形成液膜的
6、低熔点物质是产生热裂的主要根源。但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填补了裂纹。,2.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，由于线收缩受阻，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，铸件便产生热裂纹。,热裂是在“热脆区”形成；热脆区就是有效结晶温度区间。,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收缩受阻所产生的应变之间的对比关系。,铸件的应变,合金的应变,铸件应变与断裂应变的关系：,不产生热裂纹,产生热裂纹的临界条件,产生热裂纹,是由热脆区、应变和断裂应变综合
7、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，铸件的应变越大，则越容易产生热裂。,分析：合金的热裂倾向性,结论：,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。,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，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，才有可能产生热裂。,10-3 影响热裂形成的因素和防止措施,一、影响因素,（一）合金性质,1.有效结晶温度区,2.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,收缩
8、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,晶粒小，成等轴晶，越不容易形成热裂,4.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,防止措施：,1.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,3.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,1.铸型、砂芯阻力：,湿型干型,有机粘结剂砂型非有机砂型,2.铸型与金属的作用：,（1）退让性越大，收缩阻力越小，热裂越小,（2）退让时刻：粘土砂1250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,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,2.刷涂料，减小摩擦,3.在热节处加冷铁，降低集中变形,（三）浇注条件：,1.浇注温度和浇注速度,薄壁件：高温快浇,厚壁件：低温慢浇,2.凝固原则,采用同时凝固,防止措施：,1.防止集中变形,2.防止浇冒口系统产生收缩障碍,3.减少各部分温差,（四）铸件结构：,1.两壁相交及连接方式设计不合理,2.厚薄不均,防止措施：,1.圆角过渡，避免十字交叉,2.壁厚尽可能均匀,3.设置防裂筋,
