1、第十一章（下）凝固缺陷与控制,刘 洪 喜昆明理工大学材料科学与工程学院,应力分类：伴随着加热和冷却过程而变化的应力称为瞬时应力；完全冷却后残存在工件中的应力称为残余应力,应力的影响：应力的存在不仅会引起工件尺寸形状的变化，还会降低构件的承载能力，使工件产生裂纹。因此，必须尽量减少工件在加工过程中产生的应力,热加工过程中，工件经历了加热和冷却过程，其尺寸和形状将发生变化，如果这种变化受到了阻碍，便会在工件内产生应力,第四节 应力形成及控制,一、热加工和冷却过程中的应力,热加工和冷却过程中产生的应力（瞬时应力），按照其形成原因的不同可分为热应力、相变应力和机械阻碍应力,（一）热应力,含义：工件在加
2、热和冷却过程中，由于各部分温度不同造成工件上同一时刻各部分的收缩或膨胀量不同，从而导致内部彼此相互制约而产生的应力。热应力是由不均匀温度场引起的,具有固态相变的合金，若各部分发生相变的时刻及相变程度不同，在其内部就可能产生应力。这种应力称为相变应力,（二）相变应力,金属在冷却过程中因收缩受到外界阻碍而产生的应力，称为机械阻碍应力,机械阻碍主要来源：主要有强度较高、退让性较低的铸型和型芯；浇冒口系统和铸件上的凸起等；焊接时采用的刚性固定装置、工装卡具及胎具等,机械阻碍应力的影响：可使工件产生拉伸或切应力。若应力处于弹性范围，则阻碍消除后应力消失。但当阻碍应力与其它应力同时作用且方向一致时，则会使
3、内应力加剧，甚至产生裂纹,（三）机械阻碍应力,铸件或焊件内的应力是热应力、相变应力和机械阻碍应力的总和。在冷却过程中的某一瞬间，当局部应力的总和大于金属在该温度下的强度极限时，工件就会产生裂纹,二、控制应力的措施,焊接结构中：避免交叉和密集焊缝，尽量采用对接而避免搭接；在保证结构强度的条件下，尽量要减少不必要的焊缝；采用刚度小的结构代替刚度大的结构等,铸造结构中：铸件的壁厚差要尽量小；厚薄壁连接处要圆滑过渡；铸件厚壁部分的砂层要减薄，或放置冷铁；合理设置浇、冒口，尽量使铸件各部分温度均匀,1、合理设计结构,适当提高预热温度、控制冷却时间，以降低工件中各部分温差,2、合理选择工艺,焊接结构中：尽
4、量采用小的线能量，以减小焊件的受热范围；采用合理的装焊顺序，尽量使焊缝能自由收缩，收缩量大的焊缝应先焊,铸造结构中：采用较细的面砂和涂料，减小铸件表面的摩擦力；控制铸型和型芯的紧实度，加木屑、焦炭等，以提高铸型和型芯的退让性,3、降低或消除残余应力,热处理法：消除焊接残余应力的热处理包括高温回火和局部高温回火。加热温度Ac1（650）以下，保温时间不超过3h,自然时效法：将具有残余应力的逐渐放置在露天，经数月乃至半年以上时间，使应力慢慢自然消失,加载法：对某些压力容器、桥梁、船体结构，可采取加载的办法来消除焊接应力,振动法和锤击法,第五节 热、冷裂纹及其控制,热裂纹的分类及特征 热裂纹的形成机
5、理及其控制 冷裂纹的分类及特征 冷裂纹的形成及其控制,裂纹含义：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,一、热裂纹的分类及特征,热裂纹及分类：是金属冷却到固相线附近的高温区时所产生的开裂现象，微观上具有沿晶开裂特征。可分为两类：与液膜有关的热裂纹和与液膜无关的热裂纹。前者包括凝固裂纹和液化裂纹；后者主要是高温失延裂纹,裂纹类型及危害：金属在加工和使用过程中可能出现的裂纹包括热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹等等。裂纹是可以引发灾难性事故的、危害最大的一类缺陷,热裂纹特征：宏观可见热裂纹的断口均有明显氧化色彩；位于金属内部的热裂纹因
6、与外界隔绝，其氧化程度不如表面裂纹明显,热裂纹存在位置：热裂纹即可出现在焊缝上，也可出现在近缝区。凝固裂纹一般只存在于焊缝中，尤其易在焊缝中心和弧坑处形成（弧坑裂纹）。近缝区裂纹一般都是微裂纹，在外观上难以发现,凝固裂纹的分布形态(a) 焊缝中心裂纹；(b) 弧坑裂纹,1、凝固（结晶）裂纹及其特征,凝固裂纹：液态金属凝固结晶末期，在固相线附近发生的晶间开裂现象，称为凝固裂纹或结晶裂纹。其形成与凝固末期晶间存在的液膜有关，断口具有沿晶间液膜分离的特征。裂纹无金属光泽，有明显的氧化色彩,二、凝固裂纹的形成机理,凝固过程：金属在凝固过程中，总要经历液-固状态和固-液状态两个阶段。不同阶段晶体生长形态
7、和变形特征不同。其中，固-液阶段是发生凝固裂纹的敏感阶段，该阶段对应的温度区间称为脆性温度区（如下图），塑形低，易产生裂纹,2、凝固裂纹形成机理,固液阶段是发生凝固裂纹的敏感阶段，该阶段对应的温度区间称为脆性温度区间。该区塑性极低，极易产生裂纹,液固阶段：晶体数量较少，相邻晶体间不发生接触，液态金属可在晶体间自由流动，此时金属的变形主要由液体承担，已凝固的晶体只作少量的相互移动，其形状基本不变,固液阶段：多数液态金属已凝固成晶体，晶体间除发生相互移动外，也会发生变形。当晶体交替长合构成枝晶骨架时，残留的少量液体，尤其是低熔共晶，便以薄膜的形式存在于晶体之间，且难以流动。由于液态薄膜变形抗力小，
8、形变将集中于液膜所在的晶间，此时若存在足够大的拉伸应力，则在晶体发生塑性变形之前，液膜所在的晶界就会优先开裂而形成凝固裂纹,固液阶段是发生凝固裂纹的敏感阶段，该阶段对应的温度区间称为脆性温度区间。该区塑性极低，极易产生裂纹,脆性温度区 TB 越大，收缩应力的作用时间就越长，产生的应变量越大，形成热裂纹的倾向越大,TB内金属的塑性min越低，产生热裂纹的倾向越大,拉伸应力作用下金属的应变，可用应变增长率表示。TB 内应变增长率 /T 越大，越容易产生裂纹。线2 所对应的 /T 为临界应变增长率，用“CST”表示。CST 越大，材料对热裂纹敏感性越小,脆性温度区间TB的大小：TB越大，收缩应力作用
9、时间越长，产生的应变量越大，形成热裂纹的倾向越大,TB内金属的塑性：TB一定时， TB内金属的塑性min越低，则产生热裂纹的倾向就越大。TB内的应变增长率/T越大，产生热裂纹的倾向越大,3、凝固（热）裂纹产生条件,脆性温度区间的大小和金属在脆性温度区间的塑性主要决定于其化学成分、凝固条件、偏析程度、晶粒大小和方向等冶金因素；而应变增长率主要决定于金属的热胀系数、焊件刚度、铸件收缩阻力及冷却速度等力学因素,三、影响热裂纹形成的因素,影响热裂纹形成的因素大体可归纳为冶金因素和工艺因素两方面。冶金因素主要指合金化学成分及凝固组织形态；工艺因素包括工艺条件、结构形式和拘束状态等,凝固温度区增大脆性温度
10、区范围增大凝固裂纹的倾向增大,1、凝固温度区的影响,（一）冶金因素的影响,二元合金相图与凝固裂纹倾向的关系a）完全互溶 b）有限固溶 c）机械混合物 d）完全不固溶虚线凝固裂纹倾向的变化,合金元素对热裂纹的影响已建立了一些定量判据，如热裂纹敏感系数 HCS 、临界应变增长率 CST 等硫和磷 是钢中最有害的杂质元素，在各种钢中都会增加热裂纹倾向。它们既能增大凝固温度区间，与其他元素形成多种低熔点共晶，又是钢中极易偏析的元素Ni、C 、Si、Mn 的影响,合金元素，尤其是易形成低熔点共晶的杂质元素是影响热裂纹产生的重要因素,2、合金元素和杂质的影响,碳在钢中是影响热裂纹的主要元素，并能加剧硫磷及
11、其他元素的有害作用。碳能明显增加结晶温度区间，并随着碳含量的增加，初生相可由相转为相。由于硫和磷在相中的溶解度比在相中低很多，如果初生相为相，则析出的硫和磷就会富集于晶界，从而增加凝固裂纹倾向,锰具有脱硫作用，同时也能改善硫化物的形态，使薄膜状改变为球状，提高金属的抗裂性。钢中碳含量增加时，Mn的加入量也要相应增加。当wC0.16时，wMn/wS25即可防止热裂纹的产生。但是当 wC0.16（包晶点）时，磷的有害作用将超过硫，此时再增加wMn/wS比值对防止热裂纹已无意义,硅是相形成元素，应有利于消除凝固裂纹，但当wSi0.4%时易形成低熔点硅酸盐而增加裂纹倾向。此外，在单相奥氏体中，Si的偏
12、析也比较严重，并可形成低熔共晶 Ni在低合金钢中易与S形成低熔共晶而引起凝固裂纹。Ni在高强钢、不锈钢及耐热合金中易与S、P、B等形成低熔共晶而使液化裂纹倾向增大（表11-8）,晶粒大小形态和方向及析出的初生相对抗裂性都有很大影响。晶粒越粗大，方向性越明显，产生热裂纹的倾向就越大,3、凝固组织形态的影响,金属中加入某些合金元素（如Ti、Mo、V、Nb等）可使晶粒细化，既可以破坏液态薄膜的连续性，又能打乱枝晶的方向性，从而提高金属的抗裂性,对于18-8型奥氏体钢，当其组织为+时，可减少热裂纹形成倾向。因为少量相可细化晶粒，打乱粗大柱状晶的方向性（如下图）；同时，相溶解S、P的能力强于相，有利于减
13、少S、P的偏析。但相过多时会带来其他不利影响,（二）工艺因素对热裂纹的影响,1、工艺条件的影响,浇注温度：薄壁铸件要求较高浇注温度，使凝固速度缓慢均匀，从而减小热裂倾向。厚壁铸件，浇注温度过高会增加缩孔容积，减缓冷速，使初晶粗化，形成偏析，促使热裂形成,铸造工艺的影响（浇注条件）,浇注速度：薄壁铸件希望型腔内液面上升速度较快，以防止局部过热。对于厚壁铸件，则要求浇注速度尽可能缓慢一些,焊缝成形系数：成形系数小时，最后凝固的枝晶对向生长，使杂质富集于枝晶汇合处，故裂纹倾向大。成形系数增加时，枝晶呈人字形生长，可消除杂质的偏析集中，提高抗裂性能。但成形系数过大时，由于焊缝断面较薄，抗裂形下降,焊接
14、速度：高速焊时，熔池呈滴状，热裂倾向较大。低速焊时，熔池呈椭圆形，热裂倾向较小,冷却速度：冷却速度增加时，金属的变形速度或应变增长率增大，抗裂形能降低,焊接工艺的影响,2、结构形式的影响,表面堆焊和熔深较浅的对接焊缝抗裂形较高；熔深较大的对接和各种角接焊缝的抗裂形较差。因为这些焊缝所承受的应力正好作用在焊缝最后凝固的部位，而这些部位因为富集杂质元素，晶粒之间的结合力较差，故易引起裂纹,铸件厚薄不均匀时，各处冷却速度不同，较厚部分凝固得较晚，收缩应力易集中于此而导致裂纹；热节处易产生应力集中而容易导致热裂,3、拘束度或拘束应力的影响,焊接接头的拘束度或刚度越大，则应变增长率越大，产生热裂的倾向越
15、大。不合理的施焊顺序，可能使接头的拘束度在焊接过程中逐渐增大，从而增加热裂倾向,铸件成形时受到的阻力越小，形成热裂的可能性越小。铸型的退让性差，铸件表面粘沙或浇道开设不当，均会增大铸件的阻力而促使热裂纹形成,四、防止热裂纹的措施,针对热裂纹的影响因素，可从冶金和工艺两个方面采取措施以防止热裂纹的产生。一般而言，冶金因素的影响在铸造工艺过程中比较容易实现控制，而在焊接工艺过程中只能通过对焊材与焊接工艺参数选择来限制热裂纹,（一）冶金措施,限制有害杂质：严格控制钢材或焊缝中S、P等有害杂质,微合金化和变质处理：在钢材或焊缝中加入合金元素以细化晶粒（V、Ti、Nb、Zr等）减少夹杂，改善夹杂物形态和
16、分布,改进工艺：改善铸钢脱氧工艺以提高脱氧效果，从而减少晶界的氧化物夹杂，达到减少热裂倾向之目的,改善金属组织： 焊18-8型不锈钢时，调节母材或焊材成分可使焊缝获得+双相组织，能同时提高抗裂和抗腐蚀性能,利用“愈合”作用：对某些热裂倾向较大的材料，可有意增多焊缝中易熔共晶数量，使之具有愈合裂纹的作用,（二）工艺措施,1、焊接工艺措施,适当降低热输入，避免熔池过热：热输入较大时，易形成粗大柱状晶、增加偏析程度和焊接应力，形成裂纹倾向增大,针对不同焊接方法和接头形式，合理调整焊接工艺参数以获得合适焊缝成形系数：增大成形系数利于防止凝固裂纹产生,焊接凹进部位过热严重，易形成液化裂纹：凹度越大，形成
17、裂纹倾向越大,在接头设计和装焊顺序方面，尽可能降低接头刚度或拘束度，使大多数焊缝在较小刚度条件下焊接（减少应力）,减少铸件的收缩应力：如增加铸型和型芯的退让性，预热铸型，在铸型和型芯表面刷涂料，可降低热裂倾向,改进浇注方法，设置合理的浇道数量，控制浇注温度等，以控制铸件冷却速度，使铸件各部分温度相对均匀,设计合理的铸件结构，避免直角或十字交叉界面。必要时设置防裂筋，在两壁相交部位采用冷铁加速热节的冷却也是防止铸件热裂的重要措施,2、铸造工艺措施,冷裂纹：指金属经过焊接或铸造成形以后冷却到较低温度时产生的裂纹。这类裂纹是中碳钢、高碳钢、低合金高强钢、工具钢、钛合金及铸铁等材料成形加工或使用过程中
18、极易出现的一类工艺缺陷，对结构的安全使用破坏极大。常出现在HAZ，对于一些厚大件、超高强钢及钛合金，有时也会出现在焊缝上,冷裂纹特征：从宏观上看，断口具有发亮的金属光泽，呈脆性断裂特征；从微观上看，有的呈晶间断裂（即沿晶断裂），有的为穿晶断裂，更常见的是沿晶与穿晶共存。有H作用时会出现明显的氢致准解理断口，脆硬倾向越大，沿晶断裂越明显,五、冷热裂纹的分类及特征,2003年哥伦比亚号航天飞机左翼上两条冷裂纹导致哥伦比亚号航天飞机最终爆炸解体,按裂纹形成原因，冷裂纹可分为以下三类 延迟裂纹 淬硬脆化裂纹（脆硬倾向大的钢种冷至Ms至室温，发生M 相变而脆化，拘束应力。与H关系不大，基本无延迟） 低塑
19、性脆化裂纹（低塑性材料冷却至低温时，由于收缩引起的应变超过材料本身的塑性储备或材料变脆而产生。基本无延迟现象） 按加工方法分类 ，可分为 铸造冷裂纹 焊接冷裂纹,（一）延迟裂纹（氢致裂纹）,产生条件：在氢、钢材淬硬组织和拘束应力等共同作用下产生。形成温度在 Ms 以下 200至室温范围裂纹特征：具有明显的延迟特征。裂纹的产生存在着潜伏期（几小时、几天甚至更长）、缓慢扩展期和突然开裂三个连续过程。由于能量的释放，常可听到较清晰的开裂声音（可用声发射仪来监测）产生钢种：发生在刚性较大的低碳钢、低合金钢焊接结构中,焊接生产中经常遇到的低合金钢接头中的延迟裂纹,焊接冷裂纹分布形态1焊道下裂纹 2焊根裂
20、纹 3焊趾裂纹,铸造冷裂纹是铸件凝固后冷却到弹性状态时，因局部铸造应力大于材料强度极限而引起的开裂。这类裂纹总是发生在冷却过程中承受较高拉应力的部位，特别是应力集中部位。壁厚不均匀、形状复杂的大型铸件容易产生冷裂纹,铸件尖角部位的裂纹,（二）铸造冷裂纹,钢材的淬硬倾向、氢的含量与分布、拘束应力状态是导致高强钢产生冷裂纹的主要因素,六、焊接冷裂纹的影响因素,（一）接头中扩散氢的含量与分布,H在焊缝中的扩散：焊接过程中，因冷却速度很快，高温下溶入液态金属中的氢来不及逸出，它以过饱和状态保留在已经凝固的焊缝中。由于 H 的尺寸很小，可以在金属晶格点阵中自由扩散，焊后接头中尚未来得及扩散出去的氢称为残
21、留扩散氢 HR 。焊后 HR 在浓度差的作用下将自发地向焊缝周围的焊接热影响区扩散。它决定了裂纹的延迟特点及断口的形态特征,敏感温度区间：焊接冷却过程中，当温度足够高时，HR 能很快从金属内部扩散逸出，不会引起裂纹；温度很低时，氢的扩散将受到抑制，也不会导致开裂。只有在一定温度范围（100100）时， HR 才会起致裂作用，这一温度范围称为延迟裂纹的敏感温度区间,H在不同组织中的溶解和扩散：在奥氏体中，H的溶解度比较大，扩散系数较小；而在铁素体中，H的溶解度比较小，扩散系数较大。因此，当金属自高温冷却而发生相变时，H就会从bcc组织向fcc组织中扩散，即“相变诱导扩散”，导致H在某些部位聚集而
22、使该部位金属脆化,H在不同组织中的溶解和扩散：在奥氏体中，H的溶解度比较大，扩散系数较小；而在铁素体中，H的溶解度比较小，扩散系数较大。因此，当金属自高温冷却而发生相变时，H就会从bcc组织向fcc组织中扩散，即“相变诱导扩散”，导致H在某些部位聚集而使该部位金属脆化,应力诱导扩散：H在金属中有向三向拉应力区扩散的趋势。在应力集中或缺口等有塑性应变的部位常会产生H的局部聚集而使该处最早达到H的临界含量，即H的“应力诱导扩散”。应力梯度越大，H扩散的驱动力就越大，即应力对H的诱导扩散作用越大,H的扩散机理：H的扩散行为从高温到低温受到不同机理的控制。由于加热和冷却的不均匀，金属内各部分存在着相变
23、不同步和内应力不均匀现象。在“相变诱导扩散”、 “应力诱导扩散”和 “浓度扩散”等驱动力作用下，金属中的H将向某些部位扩散和聚集，致使该处H含量达到临界值而诱发冷裂纹,HR 在接头中的分布状况取决于氢在接头中的扩散行为，后者服从以下规律 “浓度扩散” “相变诱导扩散” “应力诱导扩散”,可见，接头中 HR 聚集部位正是延迟裂纹的多发部位,相变诱导扩散：氢在奥氏体（A）中的溶解度较大，扩散系数较小；而在铁素体（F）中的溶解度较小，扩散系数较大。因此，当金属自高温冷却发生 AF相变时，氢就会由转变后的铁素体向尚未转变的奥氏体中扩散，导致氢在某些部位产生聚集,熔敷金属中，因含碳量低于母材而先发生（A
24、 F+P）转变，使焊缝中HR向HAZ扩散。继续冷却时，该区金属由奥氏体向马氏体转变，氢便以过饱和状态残留在马氏体中。若该区域还存在缺口效应，则会促使H向应力集中区扩散并发生聚集。当H含量足够高时，就会在HAZ产生裂纹,（二）钢材的淬硬倾向,淬硬倾向是钢材产生冷裂纹的又一重要因素。钢材的淬硬倾向越大，越容易产生裂纹。其原因在于淬硬倾向较大的钢材，易形成硬脆的马氏体组织和高密度的晶格缺陷（如空位和位错等），这些晶格缺陷在应力的作用下会发生移动和聚集，当其浓度达到临界值时，就会形成裂纹源，并进一步扩展成宏观裂纹钢材的碳当量反映了化学成分对硬化程度的影响，据此可以判断钢材的淬硬倾向和冷裂倾向大小。若钢
25、材的碳当量越大，则其淬硬倾向和冷裂倾向越大,焊接中拘束度的定义为平板对接接头单位长度焊缝在根部间隙产生单位长度位移所需要的力。接头的拘束度与拘束应力大小，可近似地用经验公式计算：,m 是转换系数，与钢的线胀系数、比热容、接头坡口形式和焊接方法等因素有关,（三）接头中的拘束应力状态,实际低合金高强钢接头中产生的冷裂纹是上述三大因素综合作用的结果，但有时可能只是其中一个或二个因素起主要作用，其余的起辅助作用三大因素的作用可归纳成经验公式来评价冷裂纹敏感性。其中最常用的关系式为： 式中，Pw、Pc是冷裂纹敏感指数；H是熔敷金属扩散氢含量（mL/100g）；R是拘束度（N.mm-2)；是工件厚度（mm
26、）；Pcm是钢材合金元素的碳当量,如右图所示，当应力高于上临界应力值uc时，试件会很快断裂而无延迟现象。当应力低于下临界值LC时，不论恒定载荷多久，试件都不会断裂。当应力介于uc和LC之间时，就会出现由H引起的延迟断裂现象。产生裂纹之前潜伏期的长短与裂纹区的应力大小有关。拉应力越小，启裂所需临界氢的浓度越高，潜伏期（延迟时间）就越长,七、高强钢焊接时延迟裂纹的形成机理,氢致延迟裂纹的形成机理,金属内部存在的缺陷（如微空穴、微夹杂物、晶格缺陷等）提供了潜在的裂纹源，在应力作用下，这些缺陷的前沿会形成有应力集中的三向应力区，诱使氢向高应力区内扩散、聚集使内压力增大,随着H含量的增加，缺陷处应力不断
27、增大，其脆性也因位错移动受阻而增加。当H含量达到临界值时，缺陷部位便会发生开裂和相应扩展。同时在裂纹尖端形成新的三向应力区,其后，H不断向新的三向应力区扩散、聚集，当裂纹尖端局部的H含量达到临界值时，裂纹又发生新的扩展。这一过程周而复始，直至形成宏观裂纹。可见，H致裂纹从潜伏、萌生、扩展至开裂具有延迟特征,八、冷裂纹的控制措施,对于结构钢焊接冷裂纹的控制，总原则是控制冷裂纹形成的三大要素，即 降低扩散氢含量、改 善接头组织和减小拘束应力焊接中常用的措施是控制母材化学成分、合理选用焊接材料以及严格控制焊接工艺，必要时采用焊前预热与后热消氢处理,选用低氢型焊材或焊接方法,焊前严格清理焊件表面油污,焊前预热 T0 =1440Pw - 392 ,防止冷裂纹的措施,冷裂纹的影响因素,减少淬硬组织,减少 H R含量,降低拘束应力,紧急后热约300并保温,合理的焊接线能量及焊接顺序,作 业,1、偏析是如何形成的？影响偏析的因素有哪些？生 产中如何防止偏析的形成？2、简述析出性气孔特征、形成机理及主要防止措施3、分析缩孔的形成过程，说明缩孔与缩松的形成条件及形成原因的异同点4、焊件和铸件的热应力是如何形成的？应采取哪些措施予以控制？5、简述凝固裂纹的形成机理及防止措施6、分析氢在形成冷裂纹中的作用，简述氢致裂纹的特征和机理7、如何防止焊件和铸件产生冷裂纹,
