鑄造應(yīng)力變形及裂紋課件

1、 第9章鑄造應(yīng)力、變形 及裂紋 第9章鑄造應(yīng)力、變形 本章主要內(nèi)容9.1鑄造應(yīng)力9.2鑄件的變形與冷裂9.3鑄件的熱裂 本章主要內(nèi)容9.1鑄造應(yīng)力9.1鑄造應(yīng)力 鑄件在凝固、冷卻過(guò)程中，由于受阻收縮、熱作用和相變諸因素引起的應(yīng)力，稱(chēng)為鑄造應(yīng)力。 鑄造應(yīng)力按其形成原因分為類(lèi)： 熱應(yīng)力 相變應(yīng)力 機(jī)械阻礙應(yīng)力9.1鑄造應(yīng)力 鑄件在凝固、冷卻過(guò)程中，由于受阻收縮、熱鑄造應(yīng)力的形成 溫度 變化熱膨脹或收縮熱應(yīng)力（自身拘束）機(jī)械阻礙應(yīng)力（外部拘束） 固態(tài)相變（伴隨比容變化）受阻受阻相變應(yīng)力鑄造應(yīng)力的形成 溫度 熱膨脹熱應(yīng)力（自身拘束）機(jī)械阻9.1.1熱應(yīng)力 熱應(yīng)力：由于鑄件厚薄不均，各部分的冷卻速度不同

2、，以至在同一時(shí)刻，鑄件各部位收縮不一致而引起的內(nèi)應(yīng)力稱(chēng)為熱應(yīng)力。 機(jī)械阻礙應(yīng)力：鑄件的固態(tài)收縮受到鑄型和型芯的機(jī)械阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力稱(chēng)為機(jī)械阻礙應(yīng)力。9.1.1熱應(yīng)力 熱應(yīng)力：由于鑄件厚薄不均，各部分的冷卻1.熱應(yīng)力形成機(jī)理 例 應(yīng)力框鑄件 假設(shè)： （1）液態(tài)金屬充滿(mǎn)鑄型后，立即停止流動(dòng)，桿I（粗桿）和桿（細(xì)桿）的原始長(zhǎng)度皆為L(zhǎng)0，并都從同一溫度開(kāi)始冷卻，最后冷卻到室溫。 （2）合金線(xiàn)收縮開(kāi)始溫度為T(mén)y，材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)不隨溫度變化。（3）在冷卻過(guò)程中，不發(fā)生固態(tài)相變，鑄件收縮不受鑄型阻礙。（4）橫梁為剛體，不產(chǎn)生撓曲變形。 1.熱應(yīng)力形成機(jī)理 例 應(yīng)力框鑄件 假設(shè)：框形鑄件中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析TY

3、T0t0TLt1t2t4t3 在t0-t1時(shí)間內(nèi)，TTY，TTY，細(xì)桿開(kāi)始線(xiàn)收縮，而粗桿仍處于凝固初期，枝晶骨架尚未形成。此時(shí)鑄件的變形由細(xì)桿確定，細(xì)桿帶動(dòng)粗桿一起收縮。到t1時(shí)兩桿具有同一長(zhǎng)度，鑄件內(nèi)不產(chǎn)生熱應(yīng)力。在t1-t2時(shí)間內(nèi)，兩桿均發(fā)生線(xiàn)收縮。且隨著時(shí)間的推移，其溫差逐漸增大。如果兩桿能自由收縮，則細(xì)桿的收縮量要比粗桿大。由于兩桿彼此相連，始終具有相同長(zhǎng)度，故細(xì)桿被拉長(zhǎng)，粗桿被壓縮。這樣，在細(xì)桿內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，而粗桿內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力。 在t3t4時(shí)間內(nèi)，粗桿的冷卻速度仍然比細(xì)桿快，即粗桿的自由線(xiàn)收縮速度大于細(xì)桿。因而，粗桿被拉長(zhǎng)，產(chǎn)生拉應(yīng)力；細(xì)桿則相反，產(chǎn)生壓應(yīng)力。冷卻到t4（室溫）時(shí)，鑄

4、件內(nèi)存在殘余應(yīng)力，細(xì)桿內(nèi)為壓應(yīng)力，粗桿內(nèi)為拉應(yīng)力。 框形鑄件中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析TYT0t0TLt1t2t4t3 2.影響熱應(yīng)力大小的因素（拉應(yīng)力）（壓應(yīng)力）殘余熱應(yīng)力大小2.影響熱應(yīng)力大小的因素（拉應(yīng)力）（壓應(yīng)力）殘余熱應(yīng)力大小 1）金屬性質(zhì)的影響（1）金屬的彈性模量 金屬的彈性模量E越大，鑄件中的殘余熱應(yīng)力越大。 例如鑄鋼、白口鐵和球墨鑄鐵的熱應(yīng)力比灰口鐵大，主要是與合金的彈性模量有關(guān)。 1）金屬性質(zhì)的影響 （2）合金的線(xiàn)收縮系數(shù) 合金線(xiàn)收縮系數(shù)越高，熱應(yīng)力越大。 1-ZG1Cr18Ni9Ti 2-ZG15CrMo 3-ZG25Cr 4-Cr30 5-灰鑄鐵 6-Cr15幾種鑄造合金從0600

5、的線(xiàn)膨脹 （2）合金的線(xiàn)收縮系數(shù) 1-ZG1Cr18Ni9Ti幾 （3）合金的導(dǎo)熱性能 直接影響鑄件厚薄兩部分溫差的大小。 合金鋼比碳鋼具有較低的導(dǎo)熱性能。導(dǎo)熱性能低的合金， 較大，因此，在其他條件相同時(shí)，將具有較大的殘余熱應(yīng)力。 （3）合金的導(dǎo)熱性能 2）鑄型性質(zhì)的影響 鑄件冷卻速度快慢主要取決于鑄型的蓄熱系數(shù)b2。蓄熱系數(shù)越大，鑄件冷卻速度越快，引起的溫差越大，因此產(chǎn)生的熱應(yīng)力也越大。例如金屬型比砂型容易引起更大的熱應(yīng)力。 提前打箱雖然可以減小鑄件收縮阻力，但卻能造成較大的熱應(yīng)力。 2）鑄型性質(zhì)的影響 3）澆注條件的影響 提高澆注溫度，使鑄型的溫度相應(yīng)提高，從而降低鑄型的激冷能力，減小鑄件

6、內(nèi)部的溫度梯度，使鑄件各部分溫度趨于均勻，因而可減小熱應(yīng)力。 3）澆注條件的影響 4）鑄件結(jié)構(gòu)的影響 鑄件壁厚差越大，溫差越大，引起的熱應(yīng)力也就越大。從減小鑄件熱應(yīng)力出發(fā)，設(shè)計(jì)鑄件應(yīng)力求壁厚均勻。 4）鑄件結(jié)構(gòu)的影響 9.1.2相變應(yīng)力 相變應(yīng)力鑄件冷卻過(guò)程中發(fā)生固態(tài)相變的時(shí)間不一致，相變產(chǎn)物的比容不同，體積和長(zhǎng)度變化的時(shí)間也不一致，彼此制約，形成的應(yīng)力稱(chēng)為相變應(yīng)力。 根據(jù)發(fā)生相變的溫度不同，可以是臨時(shí)應(yīng)力也可以是殘余應(yīng)力。9.1.2相變應(yīng)力 相變應(yīng)力鑄件冷卻過(guò)程中發(fā)生固態(tài)相變的例 球墨鑄鐵中金屬基體的熱膨脹系數(shù)要比石墨大1.5倍，因此，金屬基體的熱收縮要比石墨球大得多。故當(dāng)鑄件處于高溫時(shí)，金

7、屬基體收縮受到石墨的阻礙，則發(fā)生彈性變形，鑄件處于應(yīng)力狀態(tài)。因而球墨鑄鐵鑄件則有較大的產(chǎn)生應(yīng)力的傾向。 例9.1.3機(jī)械阻礙應(yīng)力 機(jī)械阻礙應(yīng)力是合金的線(xiàn)收縮受到鑄型或型芯等的機(jī)械阻力而形成的內(nèi)應(yīng)力。 機(jī)械阻礙的來(lái)源主要有：強(qiáng)度較高、退讓性較低的鑄型和型芯，砂箱內(nèi)的箱擋和型芯內(nèi)的芯骨，設(shè)置在鑄件上的拉桿、防裂筋，分型面上的鑄件飛邊，澆冒口系統(tǒng)和鑄件上的某些突出部分等。9.1.3機(jī)械阻礙應(yīng)力 機(jī)械阻礙應(yīng)力是合金的線(xiàn)收縮受到鑄冷卻收縮過(guò)程中，軸向受砂型阻礙，徑向受型芯 阻礙。砂型型芯鑄件冷卻收縮過(guò)程中，軸向受砂型阻礙，徑向受型芯砂型型芯鑄件 機(jī)械阻礙應(yīng)力一般使鑄件產(chǎn)生拉伸或剪切應(yīng)力。由于應(yīng)力是在彈性

8、范圍內(nèi)產(chǎn)生的，阻礙消除（如鑄件落砂）后應(yīng)力消失，故為臨時(shí)應(yīng)力。但是當(dāng)機(jī)械阻礙應(yīng)力與其他應(yīng)力同時(shí)起作用且方向一致時(shí)，則會(huì)使內(nèi)應(yīng)力加劇，甚至導(dǎo)致鑄件中出現(xiàn)裂紋。 機(jī)械阻礙應(yīng)力一般使鑄件產(chǎn)生拉伸或剪切應(yīng)力。 綜合上述可見(jiàn)，鑄造應(yīng)力是熱應(yīng)力、相變應(yīng)力以及機(jī)械阻礙應(yīng)力的總和。即 在某一瞬間，一切應(yīng)力的總和大于金屬在該溫度下的強(qiáng)度極限時(shí)，鑄件就要產(chǎn)生裂紋。 綜合上述可見(jiàn)，鑄造應(yīng)力是熱應(yīng)力、相變應(yīng)力9.1.4減小及消除鑄造應(yīng)力的措施 1.合金方面 2.合理設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu) 3.合理選擇鑄造工藝 4.消除鑄造應(yīng)力 9.1.4減小及消除鑄造應(yīng)力的措施 1.合金方面 1.合金方面 在滿(mǎn)足工作條件的前提下，盡量選擇彈性

9、模量和線(xiàn)膨脹小的材料作為鑄件材料。 2.合理設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu) 鑄件的壁厚差要盡量??；厚薄壁連接處要圓滑過(guò)渡；熱節(jié)小而分散。 1.合金方面3.合理選擇工藝 將鑄件厚壁部位的砂層減薄，或放置冷鐵，或采用蓄熱系數(shù)大的型砂；合理設(shè)置澆冒口，盡量使鑄件各部分溫度均勻，避免產(chǎn)生較大的應(yīng)力和應(yīng)力集中。3.合理選擇工藝 將鑄件厚壁部位的砂層減薄，或放置冷鐵，3.合理選擇工藝 控制鑄型和型芯的緊實(shí)度，加入適量的木屑、焦炭等，以提高鑄型和型芯的退讓性；采用較細(xì)的面砂和涂料，減小鑄型表面的摩擦力，可以有效減小機(jī)械阻礙應(yīng)力；在澆注前預(yù)熱鑄型；適當(dāng)提高澆注溫度，能使鑄型的溫度相應(yīng)提高，從而降低鑄型的激冷能力，減小鑄件內(nèi)部的

10、溫度梯度，使鑄件各部分溫度趨于均勻，因而可減小熱應(yīng)力。3.合理選擇工藝 控制鑄型和型芯的緊實(shí)度，加入適量的木4.消除鑄造應(yīng)力 1）自然時(shí)效 將存在殘余應(yīng)力的鑄件放置在露天場(chǎng)地，經(jīng)數(shù)月乃至半年以上時(shí)間，使應(yīng)力慢慢自然消失的過(guò)程稱(chēng)為自然時(shí)效。 2）人工時(shí)效（熱處理法） 這是消除殘余應(yīng)力最常用的方法。一般是將鑄件緩慢加熱到塑性狀態(tài)的溫度范圍，在此溫度下保溫一段時(shí)間，利用蠕變產(chǎn)生新的塑性變形，使應(yīng)力消除。再緩慢冷卻，使鑄件各部分溫度均勻一致，避免出現(xiàn)新的應(yīng)力。 4.消除鑄造應(yīng)力 1）自然時(shí)效 3）共振時(shí)效 利用激振器的激振作用使鑄件發(fā)生共振，從而消除鑄件殘余應(yīng)力的方法稱(chēng)為共振法。共振過(guò)程中的交變應(yīng)力與

11、殘余應(yīng)力的共同作用，使鑄件產(chǎn)生局部屈服及塑性變形，從而使殘余應(yīng)力松弛，消失。 3）共振時(shí)效9.2 鑄件的變形與冷裂9.2.1鑄件變形 1.變形 殘余內(nèi)應(yīng)力使鑄件處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)，會(huì)自發(fā)產(chǎn)生變形以緩解內(nèi)應(yīng)力。 受拉的厚壁部縮短受壓的薄壁部伸長(zhǎng)9.2 鑄件的變形與冷裂9.2.1鑄件變形受拉的厚壁部縮短鑄件變形的一般規(guī)律： 厚的部位受拉應(yīng)力所以向內(nèi)凹，薄的部位受壓應(yīng)力則向外凸。鑄件變形的一般規(guī)律：鑄件變形實(shí)例機(jī)床床身 機(jī)床床身由于其導(dǎo)軌面較厚，其側(cè)面較薄，因而在冷卻過(guò)程中厚薄兩部分產(chǎn)生溫差，致使導(dǎo)軌面受拉應(yīng)力，側(cè)面受壓應(yīng)力。變形的結(jié)果，導(dǎo)軌面向下凹，薄壁側(cè)面向下凸。機(jī)床床身變形示意圖鑄件變形實(shí)例機(jī)

12、床床身機(jī)床床身變形示意圖 厚薄不均勻的T型梁 變形的方向是厚的部分向內(nèi)凹，薄的部分向外凸，如圖中虛線(xiàn)所示。T字梁鑄件的變形 厚薄不均勻的T型梁T字梁鑄件的變形 壁厚均勻的槽形鑄件 由于充填鑄型先后的影響，下部先冷，上部后冷，最終出現(xiàn)與T型粱類(lèi)似的應(yīng)力和變形。 壁厚均勻的槽形鑄件 半球殼形鑄鋼件 熔模精鑄法生產(chǎn)的半球殼形鑄鋼件由于澆口棒粗大，最后冷卻時(shí)的收縮使鑄件變形為橢圓，其短軸方向與澆口棒方向一致。 半球殼形鑄鋼件 帶輪鑄件變形 由于輪緣厚度比輪轂薄，冷卻后容易向內(nèi)凹，導(dǎo)致加工余量不足。輪緣變形示意圖 帶輪鑄件變形輪緣變形示2、防止與消除變形的措施 （1）反變形法 （見(jiàn)圖） 在制造模樣時(shí)，按

13、鑄件可能產(chǎn)生變形的反方向做出反變形模樣，使鑄件變形后的結(jié)果正好與反變形量相抵消，得到符合設(shè)計(jì)要求的鑄件。輪緣加厚示意圖2、防止與消除變形的措施 （1）反變形法 （見(jiàn)圖） 輪緣 （2）鑄件壁厚的聯(lián)接 鑄件轉(zhuǎn)角處應(yīng)有結(jié)構(gòu)圓角。 避免銳角聯(lián)接。 厚壁、薄壁間聯(lián)接要逐步過(guò)渡。 （2）鑄件壁厚的聯(lián)接 （3）設(shè)置防變形的拉筋 在鑄造應(yīng)力集中的部位設(shè)置拉筋，拉筋可在應(yīng)力退火后去掉鎂合金雷達(dá)罩 （3）設(shè)置防變形的拉筋鎂合金雷達(dá)罩 （4）用澆注系統(tǒng)調(diào)整鑄件的溫度場(chǎng)。 如槽形鑄件，如果澆注時(shí)將直澆道一端抬高，改變?cè)瓉?lái)的充填順序，有利于應(yīng)力和變形的防止；如球殼鑄件，若改用環(huán)形澆道，內(nèi)澆道增加成三個(gè)并均布，即可減小變

14、形。槽形鑄件 （4）用澆注系統(tǒng)調(diào)整鑄件的溫度場(chǎng)。槽形鑄件機(jī)械方法進(jìn)行校正 已經(jīng)產(chǎn)生變形的鑄件，如果材料的塑性好，可以用機(jī)械方法進(jìn)行校正，例如精鑄件及有色金屬鑄件。但變形量過(guò)大或材料塑性差，校正困難。機(jī)械方法進(jìn)行校正9.2.2鑄件的冷裂 當(dāng)鑄造應(yīng)力超過(guò)金屬的抗拉強(qiáng)度時(shí)，鑄件就會(huì)產(chǎn)生裂紋。按裂紋形成的溫度范圍，可分為冷裂和熱裂兩種類(lèi)型。 熱裂9.2.2鑄件的冷裂 當(dāng)鑄造應(yīng)力超過(guò)金屬熱裂當(dāng)鑄件冷至較低溫度，鑄造內(nèi)應(yīng)力超過(guò)合金的 抗拉強(qiáng)度時(shí)，將形成冷裂。出現(xiàn)部位：尖角、縮孔、氣孔以及非金屬夾雜 物等附近。鑄件壁厚差別大，特別是形狀復(fù)雜的大型薄壁 鑄件越易產(chǎn)生冷裂；脆性大、塑性差的合金，如灰鑄鐵、白口鑄

15、 鐵、高錳鋼當(dāng)鑄件冷至較低溫度，鑄造內(nèi)應(yīng)力超過(guò)合金的冷裂特征 斷口表面有金屬光澤，無(wú)氧化色，裂紋細(xì)小，呈連續(xù)直線(xiàn)形，常常是穿晶斷裂。鑄鋼件冷裂紋 冷裂特征鑄鋼件冷裂紋 例 ZG35CrMn齒輪毛坯鑄件中的冷裂紋 例 影響冷裂的因素 影響冷裂的因素與影響鑄造應(yīng)力的因素基本一致。合金的成分 鋼中的C、Cr、Ni等元素，雖能提高鋼的質(zhì)量，但卻降低了鋼的導(dǎo)熱性，因而這些元素的含量相對(duì)較高時(shí)，會(huì)增大鋼的冷裂傾向。 P增加鋼的冷脆性，當(dāng)鋼中含P含量大于0.1%時(shí)，鋼的沖擊韌性急劇下降，冷裂傾向也明顯增加。影響冷裂的因素熔煉質(zhì)量 當(dāng)鋼脫氧不足時(shí)，氧化夾雜物聚集在晶粒邊界上，使鋼的沖擊韌性和強(qiáng)度下降，促使冷裂

16、形成。鋼中其他非金屬夾雜物增多時(shí)也有類(lèi)似情況。熔煉質(zhì)量材料的組織和塑性 有色金屬由于塑性好易產(chǎn)生塑性變形，冷裂傾向較小。低碳奧氏體鋼（如高錳鋼、鎳鉻耐酸鋼）彈性極限低而塑性好，很少形成冷裂。材料的組織和塑性防止冷裂的措施 在要求鑄件冷卻速度、減少鑄型和型芯阻力方面，與防止鑄造應(yīng)力的措施相同；在鑄件結(jié)構(gòu)和設(shè)加強(qiáng)筋方面與防止熱裂的要求大致相同。 要避免鑄件發(fā)生變形和裂紋，最根本的辦法是減小殘余應(yīng)力。防止冷裂的措施9.3鑄件的熱裂熱裂鑄件凝固末期，固態(tài)金屬已開(kāi)始線(xiàn)收縮，而晶間還殘有少量液體，若收縮受阻，鑄件便易產(chǎn)生熱裂紋。熱裂9.3鑄件的熱裂熱裂鑄件凝固末期，固態(tài)金屬已開(kāi)始線(xiàn)收縮，9.3.1熱裂的分

17、類(lèi)與形貌特征熱裂的形貌特征： 裂紋短，縫寬，形狀曲折，呈氧化色。熱裂的微觀(guān)特征是沿晶開(kāi)裂。 鑄鋼件裂口表面近于暗黑色，而鋁合金則呈灰色。當(dāng)鑄鋼件冷卻緩慢時(shí)，裂口的邊緣常有脫碳現(xiàn)象。9.3.1熱裂的分類(lèi)與形貌特征熱裂的形貌特征： 鑄件熱裂的外觀(guān)特征 熱裂沿晶粒邊界穿過(guò) 鑄件熱裂的外觀(guān)特征 熱裂沿晶粒邊界穿碳鋼熱裂形成溫度試驗(yàn) 試驗(yàn)方法：在鑄件凝固過(guò)程中，每隔一定時(shí)間，在記錄鑄件溫度的同時(shí)攝取一張x射線(xiàn)底片。 試驗(yàn)材料： 碳鋼碳鋼熱裂形成溫度試驗(yàn) 碳鋼出現(xiàn)熱裂的溫度 “O”表示發(fā)現(xiàn)熱裂前一測(cè)定時(shí)刻記錄的溫度； “”表示x射線(xiàn)底片上發(fā)現(xiàn)裂紋時(shí)的溫度， 熱裂產(chǎn)生的溫度應(yīng)在O之間； O是硫含量偏高的情況

18、； 是磷含量偏高的情況。 碳鋼出現(xiàn)熱裂的溫度 “O”表示發(fā)現(xiàn)熱試驗(yàn)表明，鑄鋼熱裂形成溫度在固相線(xiàn)附近。應(yīng)當(dāng)指出，在鑄造條件下、合金是在非平衡條件下結(jié)晶的，低熔點(diǎn)物質(zhì)被排斥于晶界，使實(shí)際固相線(xiàn)低于平衡固相線(xiàn)。試驗(yàn)中硫、磷含量偏高時(shí)，影響更為明顯。試驗(yàn)表明，鑄鋼熱裂形成溫度在固相線(xiàn)附近。在低于液相線(xiàn)某溫度時(shí)，鑄件開(kāi)始線(xiàn)收縮。因此可以認(rèn)為，熱裂形成溫度是在非平衡的線(xiàn)收縮開(kāi)始溫度到非平衡的固相線(xiàn)溫度區(qū)間內(nèi)。這一溫度區(qū)間被稱(chēng)為“有效結(jié)晶溫度范圍”。 在低于液相線(xiàn)某溫度時(shí)，鑄件開(kāi)始線(xiàn)收縮。因9.3.2熱裂的形成機(jī)理 熱裂產(chǎn)生的基本條件是材料的拉伸變形量超過(guò)了它的塑性變形能力（）。 在凝固過(guò)程中如果鑄件收縮

19、受到阻礙，就必然會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生拉伸變形。因此，裂紋產(chǎn)生的傾向性主要取決于材料本身在凝固過(guò)程中的變形能力。當(dāng)有液相存在時(shí)，金屬的變形能力與完全固態(tài)時(shí)不同，它取決于液相的數(shù)量、分布形態(tài)及其性質(zhì)。 9.3.2熱裂的形成機(jī)理 熱裂產(chǎn)生的基本條件是材料的拉伸變 根據(jù)金屬在凝固過(guò)程中的變形特點(diǎn)和能力，其凝固過(guò)程大致可分為三個(gè)區(qū)（如圖）： 區(qū) 區(qū) 區(qū)不同結(jié)晶階段示意圖TL液相線(xiàn)溫度 Tu樹(shù)枝晶局部聯(lián)生溫度 TS實(shí)際固相線(xiàn)溫度 根據(jù)金屬在凝固過(guò)程不同結(jié)晶階段示意圖TL液區(qū)內(nèi)，晶粒與晶粒之間有大量的液體存在，此時(shí)變形可以通過(guò)液體金屬的自由流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此不產(chǎn)生裂紋。在區(qū)內(nèi)，枝晶間的液相很少，已形成薄的液層，但仍

20、與液相連通，有一定的變形能力，若變形速度不大以及液態(tài)金屬具有足夠的流動(dòng)性時(shí)，一般不會(huì)出現(xiàn)裂紋。 區(qū)內(nèi)，晶粒與晶粒之間有大量的液體存在，在區(qū)內(nèi)，枝晶已生長(zhǎng)到相碰、并局部聯(lián)生，形成封閉的液膜，此時(shí)若凝固收縮將晶間液膜拉開(kāi)，就無(wú)法彌補(bǔ)，從而形成裂紋。 由此可見(jiàn)，最容易形成熱裂紋的上限溫度應(yīng)該是樹(shù)枝晶開(kāi)始相互接觸、并局部聯(lián)生的溫度Tu；下限溫度則為凝固終了的實(shí)際固相線(xiàn)溫度TS。在區(qū)內(nèi)，枝晶已生長(zhǎng)到相碰、并局部聯(lián)生， 凝固裂紋產(chǎn)生的具體條件，可用下圖來(lái)說(shuō)明。 圖中： 表示在脆性溫度區(qū)TB內(nèi)金屬的塑性，它隨溫度的變化而變化，在某一瞬時(shí)出現(xiàn)最小值min 表示在拉伸應(yīng)力作用下金屬的應(yīng)變，它也是溫度的函數(shù)，故可

21、用應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率 表示。 凝固裂紋產(chǎn)生的具體條件，可用下圖來(lái)說(shuō)明。 產(chǎn)生凝固裂紋的條件應(yīng)變量 塑性 TL液相線(xiàn) TS固相線(xiàn)TB脆性溫度區(qū) TUTB上限 TSTB下限,TBT/TLTUTSTSmin123 f (T)(T)脆性溫度區(qū) TB 越大，收縮應(yīng)力的作用時(shí)間就越長(zhǎng)，產(chǎn)生的應(yīng)變量越大，形成熱裂紋的傾向越大。TB內(nèi)金屬的塑性min越低，產(chǎn)生熱裂紋的傾向越大。 TB 內(nèi)的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率 /T 越大，越容易產(chǎn)生裂紋。線(xiàn)2 所對(duì)應(yīng)的 /T 為臨界應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率，用“CST”表示。CST 越大，材料對(duì)熱裂紋敏感性越小。 產(chǎn)生凝固裂紋的條件,TBT/TLTUTSTS 脆性溫度區(qū)TB的大小和金屬在脆性溫度區(qū)的塑性主要

22、決定于化學(xué)成分、凝固條件、偏析程度、晶粒大小和方向等冶金因素； 而應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率主要決定于金屬的熱脹系數(shù)、鑄件收縮阻力及冷卻速度等力學(xué)因素。 脆性溫度區(qū)TB的大小和金屬在脆性溫度區(qū)的9.3.3影響熱裂紋形成的因素冶金因素工藝因素防止熱裂紋的措施液態(tài)金屬成形中的結(jié)晶裂紋傾向試驗(yàn)9.3.3影響熱裂紋形成的因素冶金因素凝固溫度區(qū)間的影響合金元素和雜質(zhì)的影響凝固組織形態(tài)的影響 一、冶金因素對(duì)熱裂紋傾向的影響凝固溫度區(qū)間的影響 一、冶金因素對(duì)熱裂紋傾向的影響1凝固溫度區(qū)間的影響 凝固溫度區(qū)增大 脆性溫度區(qū)范圍增大 凝固裂紋的傾向增大其他類(lèi)型合金 wB /%wB /%裂紋傾向/%溫度/凝固溫度區(qū)間與裂紋傾向的

23、關(guān)系1凝固溫度區(qū)間的影響 凝固溫度區(qū)增大 wB /%wB /% 二元合金相圖與凝固裂紋傾向的關(guān)系a）完全固溶 b）有限固溶 c）機(jī)械混合物 d）完全不固溶虛線(xiàn)凝固裂紋傾向的變化a）b）c）d）溫度T/ 二元合金相圖與凝固裂紋傾向的關(guān)系a）b）c）d）溫度T/2、合金元素和雜質(zhì)元素的影響 合金元素尤其是易形成低熔點(diǎn)共晶的雜質(zhì)元素是影響熱裂紋產(chǎn)生的重要因素。硫和磷是鋼中最有害的雜質(zhì)元素，在各種鋼中都會(huì)增加熱裂紋傾向。它們既能增大凝固溫度區(qū)間，與其他元素形成多種低熔點(diǎn)共晶，又是鋼中極易偏析的元素。Ni、C與Mn的影響合金元素對(duì)熱裂紋的影響已建立了一些定量判據(jù)，如熱裂紋敏感系數(shù)HCS、臨界應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率C

24、ST等。2、合金元素和雜質(zhì)元素的影響 合金元素尤其是易形成碳在鋼中是影響熱裂紋的 主要元素，并能加劇硫磷及其他元素的有害作用。碳能明顯增加結(jié)晶溫度區(qū)間，并且隨著碳含量的增加，初生相可由相轉(zhuǎn)為相。由于硫和磷在相中的溶解度比在相中低很多，如果初生相為相，則析出的硫和磷就會(huì)富集于晶界，從而增加凝固裂紋傾向。圖11-54 Fe-C 相圖的高溫部分溫度T/wC/%Fe-C相圖的高溫部分碳在鋼中是影響熱裂紋的圖11-54 Fe-C 相圖的高溫部錳具有脫硫作用，同時(shí)也能改善硫化物的形態(tài)，使薄膜狀改變?yōu)榍驙睿岣呓饘俚目沽研?。鋼中碳含量增加時(shí)，Mn的加入量也要相應(yīng)增加。當(dāng)wC0.16時(shí)，wMn/wS25即可防

25、止熱裂紋的產(chǎn)生。但是當(dāng) wC0.16（包晶點(diǎn)）時(shí)，磷的有害作用將超過(guò)硫，此時(shí)再增加wMn/wS比值對(duì)防止熱裂紋已無(wú)意義。錳具有脫硫作用，同時(shí)也能改善硫化物的形3凝固組織形態(tài)的影響 晶粒的大小形態(tài)和方向及析出的初生相對(duì)抗裂性都有很大影響。晶粒越粗大，方向性越明顯，產(chǎn)生熱裂紋的傾向就越大。金屬中加入某些合金元素（如Ti、Mo、V、Nb等）使晶粒細(xì)化，既可破壞液態(tài)薄膜的連續(xù)性，又可打亂枝晶的方向性，從而提高金屬的抗裂性。3凝固組織形態(tài)的影響 晶粒的大小形態(tài)和方向及析出的初生相 相在奧氏體基底上的分布a）單相奧氏體 b）奧氏體奧氏體鐵素體液態(tài)薄膜a)b) 相在奧氏體基底上的分布奧氏體奧氏體鐵素體液態(tài)薄

26、膜a)b二、工藝因素對(duì)熱裂紋傾向的影響鑄造工藝參數(shù)溫度場(chǎng)分布及變化凝固組織形態(tài)與偏析程度結(jié)構(gòu)形式與拘束程度結(jié)晶應(yīng)力與應(yīng)變凝固裂紋二、工藝因素對(duì)熱裂紋傾向的影響鑄造工藝溫度場(chǎng)分布及變化凝固組9.3.4防止熱裂紋的途徑 防止熱裂：注意結(jié)晶特點(diǎn)和化學(xué)成分，合理設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)及減少鑄型阻力。 1.冶金措施 （1）在滿(mǎn)足鑄件使用性能的前提下，盡量選擇結(jié)晶溫度范圍較小的合金，或選用抗裂性較好的接近共晶成分的合金等。9.3.4防止熱裂紋的途徑 防止熱裂：注意結(jié)晶特點(diǎn)和化學(xué)結(jié)晶溫度范圍越寬，凝固收縮量越大，熱裂傾向也越大。鑄鋼、鑄造鋁合金熱裂傾向就大，灰鑄鐵和球墨鑄鐵的熱裂紋傾向較小。結(jié)晶溫度范圍越寬，凝固收縮量越大，熱裂傾向也越大。（2）限制有害雜質(zhì) 控制爐料中的雜質(zhì)含量和采取有效的精煉措施（3）改善夾雜物在鑄件中的形態(tài)和分布，從而提高抗裂能力。（4）細(xì)化晶粒 采取變質(zhì)處理、振動(dòng)結(jié)晶、在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中凝固、懸浮鑄造等細(xì)化一次結(jié)晶的措施（2）限制有害雜質(zhì) 2.工藝措施 （1）減小鑄件的收縮應(yīng)力，如增加鑄型和型芯的退讓性，預(yù)熱鑄型，在鑄型和型芯