第12章应力变形及裂纹.pptx

1/54材料成形原理材料成形原理材料成型与控制专业材料成型与控制专业第十二章第十二章 应力、变形及裂纹应力、变形及裂纹 2/541、概念：、概念：内内应应力力：热热加加工工中中，工工件件因因经经历历加加热热与与冷冷却却过过程程，伴伴随随热热胀胀冷冷缩缩现现象象。某某些些合合金金发发生生相相变变，也也引引起起收收缩缩和和膨膨胀胀。从从而而使使工工件件体体积积和和形形态态都都发发生生变变化化。若若该该变变化化受受阻阻碍碍，便便在在工工件件中中产产生生应力应力，称为内应力。，称为内应力。铸造应力铸造应力：内应力在铸造中称为铸造应力。：内应力在铸造中称为铸造应力。瞬瞬时时应应力力：在在加加热热冷冷却却过过程程中中形形成成的的应应力力称称为为瞬时应力。瞬时应力。残残余余应应力力：完完全全冷冷却却后后残残存存在在工工件件中中的的应应力力，称为残余应力。称为残余应力。3/542、内应力对工件或结构的质量的影响、内应力对工件或结构的质量的影响（1）应应力力值值超超过过金金属属屈屈服服极极限限时时，工工件件发发生生塑塑性性变变形形尺寸、形状发生变化；尺寸、形状发生变化；（2）应力值超过金属强度极限时，工件产生裂纹；）应力值超过金属强度极限时，工件产生裂纹；（3）应力值低于金属弹性极限时，以残余应力存在。）应力值低于金属弹性极限时，以残余应力存在。3、残余应力对构件承载能力的影响、残余应力对构件承载能力的影响 当当载载荷荷作作用用方方向向与与构构件件内内应应力力方方向向一一致致时时，在在内内外外应应力力共共同同作作用用下下超超出出强强度度极极限限导导致致局局部部或或整体断裂；整体断裂；在腐蚀介质中，还会出现应力腐蚀开裂现象。在腐蚀介质中，还会出现应力腐蚀开裂现象。4/54第一节第一节 内应力内应力 内内应应力力按按产产生生原原因因分分：热热应应力力、相相变变应应力力和和机机械械阻碍应力阻碍应力。（一）热应力（一）热应力 工工件件在在受受热热及及冷冷却却过过程程中中，由由于于各各部部分分温温度度不不同同、冷冷却却速速度度不不同同造造成成工工件件上上同同一一时时刻刻各各部部分分收收缩缩（或或膨膨胀胀）量量不不同同，从从而而导导致致内内部部彼彼此此相相互互制制约约而而产产生生应应力力。由由于于是是由由热热胀胀冷冷缩缩引引起起，故故称称为为热应力热应力。5/54例：金属框例：金属框若若整整体体均均匀匀加加热热和和均均匀匀冷冷却却，不会产生应力；不会产生应力；若若只只加加热热中中心心杆杆温温度度上上升升、发发生生伸伸长长但但会会受受两两侧侧杆杆的的阻阻碍碍受受压压缩缩力力作作用用；两两侧侧杆杆受受中中心心杆杆作作用用受受拉伸力作用。拉伸力作用。若若热热应应力力较较小小，低低于于材材料料的的屈屈服服强强度度框框架架内内不不产产生生塑塑性性变变形形温温度度均均匀匀化化后后热应力消失。热应力消失。6/54例：金属框例：金属框若热应力较大若热应力较大，超过材料，超过材料的屈服强度的屈服强度中心杆产中心杆产生生压缩塑性变形压缩塑性变形。当温度。当温度下降到原始状态时，若中下降到原始状态时，若中心杆能自由收缩，长度必心杆能自由收缩，长度必然比原来的短，缩短量就然比原来的短，缩短量就是压缩塑性变形量；实际是压缩塑性变形量；实际上，受两侧杆阻碍，中心上，受两侧杆阻碍，中心杆不能自由收缩杆不能自由收缩中心中心杆受拉应力、两侧杆受压杆受拉应力、两侧杆受压应力应力形成新的内应力形成新的内应力体系体系残余应力。残余应力。7/54 热应力的表达式：热应力的表达式：式式中中，T温温度度增增量量；E为为弹弹性性模模量量，常常量量；为为线膨胀系数，常量。线膨胀系数，常量。（二）铸件内的应力与变形（二）铸件内的应力与变形 铸铸件件在在凝凝固固后后的的冷冷却却过过程程中中，由由于于各各部部分分冷冷速速不不一一致致，引引起起收收缩缩量量不不同同，因因各各部部分分彼彼此此相相联联、互互相相制制约，产生热应力。约，产生热应力。8/54例：厚度不均匀的例：厚度不均匀的T字梁字梁 铸件由杆铸件由杆和杆和杆组成，杆组成，杆较厚，杆较厚，杆较薄。较薄。假设假设：（1）杆杆和和杆杆从从同同一一温温度度T TH H开开始冷却，最后冷却到始冷却，最后冷却到T T0 0；（2）Tk温温度度以以上上，合合金金塑塑性性状状态态；Tk温度以下弹性变形；温度以下弹性变形；（3）冷冷却却过过程程中中不不发发生生固固态态相相变变，且铸件收缩不受铸型阻碍；且铸件收缩不受铸型阻碍；（4）材料线胀系数和弹性模量为）材料线胀系数和弹性模量为常数，不随温度变化。常数，不随温度变化。9/54杆杆和杆和杆的冷却曲线的冷却曲线 杆杆较厚，冷却前较厚，冷却前期杆期杆冷速比杆冷速比杆小；小；因两杆温度最终相同，因两杆温度最终相同，冷却后期杆冷却后期杆冷速比杆冷速比杆大。大。10/54杆杆和杆和杆的收缩率曲线的收缩率曲线 由于铸件自由收缩由于铸件自由收缩率与温度成正比，故该率与温度成正比，故该曲线外形与冷却曲线一曲线外形与冷却曲线一致。虚线致虚线C C0 0C C1 1C C2 2C C3 3为两为两杆联在一起收缩后的曲杆联在一起收缩后的曲线。线。11/54 在在时时间间t t0 0t t1 1内内，T T、T T T Tk k，杆杆和和杆杆均均处处于于塑塑性性状状态态。杆杆被被塑塑性性压压缩缩，杆杆被被塑塑性性拉伸。拉伸。铸件不产生热应力铸件不产生热应力。在在 时时 间间 t t1 1t t2 2内内，T T T Tk k、T T T Tk k，杆杆仍仍处处于于塑塑性性状状态态，杆杆处处于于弹弹性性状状态态。铸铸件件收收缩缩由由变变形形困困难难的的杆杆决决定定，杆杆处处于于塑塑性性状状态态对对杆杆无无阻阻力力。铸件仍不产生热应力铸件仍不产生热应力。12/54 在时间在时间t t2 2t t3 3内，内，T T T Tk k、T T T Tk k，两杆均两杆均处处于弹性状态。但杆于弹性状态。但杆温度温度高于高于杆杆温度，杆温度，杆收缩收缩比比杆杆严重，所以严重，所以杆杆被被弹性拉伸弹性拉伸拉应力，拉应力，杆杆被弹性压缩被弹性压缩压应力压应力。故常温时存在残余应力。故常温时存在残余应力。13/54（三）相变应力（三）相变应力 具具有有相相变变的的合合金金，各各部部分分发发生生相相变变先先后后及及程程度度不不同同，产产生生的的应应力力称称为为相变应力相变应力。分析厚壁铸件中的相变应力时，分两种情况：分析厚壁铸件中的相变应力时，分两种情况：（1）在在冷冷却却过过程程中中，当当铸铸件件内内层层处处于于塑塑性性状状态态时时，外外层层已已经经开开始始发发生生相相变变。如如析析出出新新相相体体积积大大于于旧旧相相，则则铸铸件件外外层层发发生生膨膨胀胀，内内层层塑塑性性变变形形，铸件铸件不会产生相变应力不会产生相变应力。铸铸件件继继续续冷冷却却，内内层层也也达达到到弹弹性性状状态态，产产生生体体积积膨膨胀胀的的相相变变外外层层发发生生弹弹性性拉拉伸伸拉拉应应力力；内内层层弹弹性性压压缩缩压压应应力力。内内层层相相变变应应力力与热应力符号相反（内层温度高，收缩严重，被外层阻碍与热应力符号相反（内层温度高，收缩严重，被外层阻碍拉应力）。拉应力）。（2）外外层层发发生生相相变变时时，内内层层处处于于弹弹性性状状态态，但但内内层层不不发发生生相相变变相相当当于于表表面面淬淬火火处处理理。外外层层发发生生相相变变产产生生体体积积膨膨胀胀受受内内层层制制约约压压应应力力，内内层层拉拉应应力力。内内层层因因外外层层相相变变产产生生的的应应力力与与热热应应力力符符号号相相同同（外层激冷，温度低，内层相对温度高，继续冷却，内层拉应力）。（外层激冷，温度低，内层相对温度高，继续冷却，内层拉应力）。14/54（四）机械阻碍应力（四）机械阻碍应力 工件冷却过程中产生的收缩，受到外界的阻碍而产生的工件冷却过程中产生的收缩，受到外界的阻碍而产生的应力称为应力称为机械阻碍应力机械阻碍应力。1、机械阻碍的来源：机械阻碍的来源：（1）铸型和型芯有较）铸型和型芯有较高的强度高的强度和较和较低的退让性低的退让性。（2）砂箱内的）砂箱内的箱档箱档和型芯内的和型芯内的芯骨芯骨。（3）设置在铸件上的）设置在铸件上的拉杆、防裂肋拉杆、防裂肋、分型面上的铸件、分型面上的铸件飞飞边边。（4）浇冒口系统浇冒口系统以及铸件上的一些以及铸件上的一些突出部分突出部分。2、机械阻碍应力的影响：、机械阻碍应力的影响：（1）机械阻碍应力可使工件产生拉伸或剪切应力。）机械阻碍应力可使工件产生拉伸或剪切应力。（2）若应力是在弹性范围内，当阻碍消除后，则应力消）若应力是在弹性范围内，当阻碍消除后，则应力消失。失。（3）但是当阻碍应力与其它应力同时作用且方向一致时，）但是当阻碍应力与其它应力同时作用且方向一致时，则会促使内应力加剧，甚至导致工件中出现裂纹。则会促使内应力加剧，甚至导致工件中出现裂纹。15/54 综综上上所所述述，铸铸件件内内的的应应力力是是热热应应力力、相相变变应应力力及及机机械械阻阻碍碍应应力力的的总总和和，在在冷冷却却过过程程中中的的某某一一瞬瞬时时，当当局局部部应应力力的的总总和和大大于于金金属属在在该该温温度度下下的的强强度度极极限限时时，工工件件就就会产生裂纹。会产生裂纹。工工件件中中的的残残余余应应力力并并非非是是永永久久性性的的。经经过过热热处处理理，即即在在一一定定温温度度下下经经过过一一定定时时间间后后，工工件件内内各各部部分分应应力力会会重重新新分分配配或或消消失。失。16/54三、减小或消除应力的途径三、减小或消除应力的途径（一）合理的结构设计（一）合理的结构设计1、铸件的壁厚差要尽量减小；、铸件的壁厚差要尽量减小；2、厚薄壁连接处要圆滑过渡。、厚薄壁连接处要圆滑过渡。3、铸件厚壁处砂层要减薄（加大冷速），或放置冷铁；、铸件厚壁处砂层要减薄（加大冷速），或放置冷铁；4、合理设计浇冒口，尽量使铸件各部分温度均匀。、合理设计浇冒口，尽量使铸件各部分温度均匀。17/54（二）选择合理的工艺及采用必要的措施（二）选择合理的工艺及采用必要的措施1 1、浇浇注注铸铸件件时时，在在满满足足使使用用要要求求的的前前提提下下，应应选选择择弹弹性模量和收缩系数小的材料性模量和收缩系数小的材料；2 2、提高铸型的预热温度提高铸型的预热温度有利于减小铸件各部分的温差；有利于减小铸件各部分的温差；3 3、采采用用较较细细的的面面砂砂和和涂涂料料，可可减减小小铸铸件件表表面面的的摩摩擦擦阻阻力；力；4 4、控控制制铸铸型型和和型型芯芯的的紧紧实实度度、加加木木屑屑、焦焦炭炭等等可可提提高高铸型及型芯的退让性；铸型及型芯的退让性；5、控制铸件在型内的冷却时间控制铸件在型内的冷却时间，不能打箱过早，但为，不能打箱过早，但为了减小铸型和型芯的阻力，也不能打箱过迟。了减小铸型和型芯的阻力，也不能打箱过迟。18/54(三三)残余应力的消除残余应力的消除1 1热处理法热处理法最常用的方法最常用的方法 将将工工件件加加热热到到塑塑性性状状态态的的温温度度，并并在在此此温温度度下下保保温温一一段段时时间间，利利用用蠕蠕变变产产生生新新的的塑塑性性变变形形，使使应应力力消消除除。再再缓缓慢慢冷冷却却，使使厚厚、薄薄部部位位的的温温度度均均匀匀，而而不不重重新出现应力。新出现应力。加加热热温温度度和和保保温温时时间间，需需根根据据材材料料的的性性质质、工工件件的结构以及冷却条件而定。的结构以及冷却条件而定。19/542 2自然时效法自然时效法 将将有有残残余余应应力力的的铸铸件件放放置置在在露露天天场场地地，经经数数月月乃乃至至半年时间以上半年时间以上，应力慢慢自然消失。，应力慢慢自然消失。特特点点：长长时时间间受受不不断断变变化化温温度度作作用用，晶晶格格畸畸变变恢恢复复，铸铸件件变变形形，应应力力消消除除。费费用用低低，但但时时间间太太长长，效效率率低低，近代近代很少采用很少采用。3 3共振法共振法 将将铸铸件件在在共共振振条条件件下下振振动动10-15min10-15min，以以达达到到消消除除铸铸件中残余应力的目的。件中残余应力的目的。该该法法与与热热处处理理法法相相比比，设设备备费费用用低低，花花费费的的时时间间少少，易易于于操操作作，而而且且无无氧氧化化皮皮，不不受受工工件件大大小小尺尺寸寸的的限限制制，也也不会由于热处理规范不当而产生新的内应力或裂纹不会由于热处理规范不当而产生新的内应力或裂纹。20/54第二节第二节 变形变形 当当工工件件的的形形状状尺尺寸寸发发生生变变化化与与图图样样不不符符合合时时，说说明明工工件发生了变形。若为铸造所致，被称为件发生了变形。若为铸造所致，被称为铸造变形铸造变形。当当工工件件在在某某一一温温度度下下所所承承受受的的应应力力大大于于该该温温度度下下材材料料的的屈屈服服强强度度时时，工工件件就就会会发发生生变变形形，以以减减小小内内应应力力，趋趋于于稳稳定定状状态态。等等待待工工件件完完全全冷冷却却后后，遗遗留留下下的的变变形形被被称称为为残残余变形余变形。一、变形的种类一、变形的种类(一一)整体变形整体变形 整整体体变变形形是是指指整整个个结结构构形形状状和和尺尺寸寸发发生生变变化化，它它是是由由各个方向收缩而引起的。各个方向收缩而引起的。21/54例：厚薄不均的例：厚薄不均的T字型梁的弯曲变形字型梁的弯曲变形 因壁薄部分的冷因壁薄部分的冷却较快，壁厚部分的却较快，壁厚部分的冷却较慢，处于不稳冷却较慢，处于不稳定状态。达到平衡态定状态。达到平衡态时，导致变形的方向时，导致变形的方向为厚的部分向内凹，为厚的部分向内凹，薄的部分向外凸，如薄的部分向外凸，如图中虚线所示。图中虚线所示。22/54上上图图中中I I杆杆厚厚，杆杆薄薄：当当两两者者温温度度都都低低于于弹弹性性温温度度时时，由由于于杆杆比比I I杆杆先先冷冷，所所以以，当当I I杆杆冷冷至至室室温温后后，I I杆杆的的收收缩缩受受到到杆杆的的限限制制，而而承承受受拉拉伸伸应应力力，杆杆承承受受压压缩缩应应力力。故故在在长长度度方方向向，I I杆杆向向下凹，而杆下凹，而杆向下凸。向下凸。23/54下下图图中中I I杆杆薄薄，杆杆厚厚：其其原原理理如如上上述述，只只是是I I杆杆与与杆杆的的关关系系相相对对换换。从从而而，I I杆杆受受到到压压应应力力，向向上上凸凸，杆杆受受到到拉拉应应力，向上凹。力，向上凹。24/54例：机床床身的变形例：机床床身的变形 由于机床床身的导轨面较厚，而侧壁较薄，截由于机床床身的导轨面较厚，而侧壁较薄，截面形态如图面形态如图a上图的状态。所以，其变形方向是向上图的状态。所以，其变形方向是向下凹。下凹。25/54例：厚薄均匀的平板铸件例：厚薄均匀的平板铸件由由于于平平板板中中心心部部分分比比四四周周冷冷却却得得慢慢，以以致致中中心心部部分分产产生生拉拉应应力力(四四周周约约束束，无无法法收收缩缩)，而而四四周周产产生生压压应应力力（因因受受向心力而互相挤压）。向心力而互相挤压）。当当平平板板上上下下两两面面存存在在温温差差时时，就就可可能能产产生生弯弯曲曲变变形形。通通常常上上面面的的导导热热差差，冷冷到到室室温温的的时时间间较较长长（收收缩缩时时下下面面不不随随着着变变化化），因因此此平平板板的的变变形形呈呈向向下下凹凹（从从上上边边看看）的的形形态。态。26/54例：带轮铸件的波浪变形例：带轮铸件的波浪变形(二二)局部变形局部变形 局局部部变变形形是是指指结结构构的的某某些些部部分发生的变形。分发生的变形。带带轮轮的的特特点点是是轮轮缘缘和和轮轮辐辐比比轮轮毂毂薄薄，当当轮轮毂毂进进入入弹弹性性状状态态时时，其其收收缩缩受受到到轮轮缘缘和和轮轮辐辐的的阻阻碍碍，所所以以轮轮毂毂受受拉拉应应力力，轮轮缘缘受受压压应应力，轮辐亦受拉应力。力，轮辐亦受拉应力。27/54二、影响变形的因素二、影响变形的因素(一一)金属材料的热物理性能金属材料的热物理性能 金属材料的热物理性能对变形有一定的影响。金属材料的热物理性能对变形有一定的影响。1、材材料料的的线线胀胀系系数数越越大大，则则产产生生的的塑塑性性变变形形越越大大。冷冷却后，纵向和横向的收缩也越大。却后，纵向和横向的收缩也越大。如：不锈钢的线胀系数比低碳钢大，因而变形也大。如：不锈钢的线胀系数比低碳钢大，因而变形也大。2、导导热热性性好好的的金金属属，如如铝铝及及其其合合金金，因因其其线线胀胀系系数数大大，且在高温时的强度较低，且在高温时的强度较低，变形也大变形也大。28/54(二二)工艺因素工艺因素 在在铸铸造造中中，用用来来制制作作木木模模的的木木料料未未干干燥燥，或或重重新新吸吸收收水水分分，以以致致木木模模产产生生变变形形，从从而而导导致致砂砂型型和和铸铸件件产生变形。产生变形。模型的刚度不足模型的刚度不足或强度不够、模型放置在不平的或强度不够、模型放置在不平的底板上、上下砂型夹紧不良等均能导致铸件的变形。底板上、上下砂型夹紧不良等均能导致铸件的变形。29/54三、防止或减少变形的方法三、防止或减少变形的方法(一一)结构设计方面结构设计方面 结结构构的的设设计计不不仅仅需需要要考考虑虑强强度度、刚刚度度和和稳稳定定性性，而而且还需要考虑制造工艺。且还需要考虑制造工艺。在铸件的结构设计中，在铸件的结构设计中，可以采用局部加厚、设置拉可以采用局部加厚、设置拉肋等方法来减小铸件变形。肋等方法来减小铸件变形。如带轮的轮缘厚度比轮毂薄，如带轮的轮缘厚度比轮毂薄，冷却后容易向内凹，导致加冷却后容易向内凹，导致加工余量不足。为此可以在轮工余量不足。为此可以在轮缘与轮毂连接处的外圆，进缘与轮毂连接处的外圆，进行局部加厚。行局部加厚。30/54 铸件的法兰部分因铸件的法兰部分因收缩受到砂芯或砂型的收缩受到砂芯或砂型的阻碍而变形，因而可以阻碍而变形，因而可以在该处在该处设置拉肋设置拉肋，阻止，阻止法兰变形。法兰变形。31/54(二二)工艺方面工艺方面1 1、反变形法、反变形法最常用的方法最常用的方法 反反变变形形法法就就是是根根据据结结构构件件变变形形的的情情况况，预预先先给给出出一一个个方方向向相相反反、大大小小相相等等的的变变形形，用用来来抵抵消消结结构构件件在在加加工工过过程程中中产产生生的的变变形形，使使加加工工后后的的结结构构件件符符合合设设计计要求。要求。反变形的尺寸、形态应根据实测或经验来确定。反变形的尺寸、形态应根据实测或经验来确定。机机床床床床身身的的铸铸造造中中，为为防防止止其其变变形形，采采用用如如图图所所示示的的反反变变形形，床床身身的的模模样样要要分分成成两两段段，造造型型时时导导轨轨面面向向下下，浇浇注注出出的的铸铸件件如如图图中实线所示。中实线所示。32/542、合理的工艺、合理的工艺（1 1）加压铁）加压铁 浇浇注注前前，可可将将压压铁铁放放在在砂砂箱箱上上，以以防防止止铸铸件件的的弯弯曲曲变形。变形。原原理理：砂砂箱箱内内铁铁液液充充填填时时出出现现浮浮力力，将将上上砂砂箱箱上上抬抬，压压铁铁通通过过铁铁垫垫对对浮浮力力产产生生压压力力。这这样样，既既可可避避免免砂砂箱箱上上抬抬时时跑跑铁铁液液，同同时时也也能能防防止止铸件的变形铸件的变形。33/54（2 2）控制铸件出型时间）控制铸件出型时间 若若出出型型过过早早，由由于于温温度度高高，遇遇风风后后各各部部分分的的温温差差会会加加剧剧，而而导导致致变变形形量量增增加加。若若铸铸件件早早出出型型后后立立即即退退火火，使使铸铸件件缓缓慢慢冷冷却却，就就可可减减小小变形量。变形量。（3 3）对于半圆形的铸件可将）对于半圆形的铸件可将两个铸件连在一起浇注，使两个铸件连在一起浇注，使柔性结构变为刚性结构柔性结构变为刚性结构，以，以防止铸件的变形。防止铸件的变形。34/54第三节第三节 裂纹裂纹 一、裂纹的种类一、裂纹的种类在铸件中，可能出现各种各样的裂纹。在铸件中，可能出现各种各样的裂纹。根据裂纹出现的根据裂纹出现的位置位置可分为可分为表面裂纹表面裂纹和和内部裂纹内部裂纹；按裂纹出现的按裂纹出现的温度范围温度范围可分为可分为热裂纹热裂纹和和冷裂纹冷裂纹等。等。二、热裂纹二、热裂纹 液液态态成成形形过过程程中中，在在高高温温阶阶段段产产生生的的开开裂裂现现象象，多在固相线附近发生，故称为多在固相线附近发生，故称为“热裂纹热裂纹”。35/54(一一)热裂纹的形成条件及其特征热裂纹的形成条件及其特征1 1热裂纹的形成条件热裂纹的形成条件 热裂纹具有高温断裂的性质。热裂纹具有高温断裂的性质。条条件件：高高温温阶阶段段晶晶间间的的延延性性或或塑塑性性变变形形能力不足以承受当时应力所产生的应变量。能力不足以承受当时应力所产生的应变量。在在金金属属凝凝固固过过程程中中，存存在在一一个个“脆脆性性温温度度区区”，它它具具有有最最低低的的延延性性，受受力力时时易易于产生热裂纹。于产生热裂纹。36/542 2热裂纹的特征热裂纹的特征（1 1）裂口外观）裂口外观形状曲折而不规则形状曲折而不规则；（2 2）裂口有明显的）裂口有明显的氧化色彩氧化色彩；（3 3）裂口沿）裂口沿晶粒边界晶粒边界通过。通过。37/54(二二)热裂纹的形成机理热裂纹的形成机理 1、强度理论、强度理论 金属在固相线上下温度范围内延伸率极低，金属在固相线上下温度范围内延伸率极低，金属呈脆性断裂，把该温度区间定义为金属呈脆性断裂，把该温度区间定义为“脆性脆性温度区温度区”。热裂就是在脆性区内形成的热裂就是在脆性区内形成的。脆性。脆性区愈大，金属处于低塑性时间愈长，热裂越易区愈大，金属处于低塑性时间愈长，热裂越易形成。形成。铸件凝固时如能自由收缩，不受外部和内铸件凝固时如能自由收缩，不受外部和内部阻力，即使强度低也不会形成热裂。部阻力，即使强度低也不会形成热裂。铸件凝固收缩时往往铸件凝固收缩时往往受各种阻力受各种阻力，使铸件，使铸件内部产生应力。如果应力超过金属在该温度的内部产生应力。如果应力超过金属在该温度的强度，即产生热裂。强度，即产生热裂。38/542、液膜理论、液膜理论 当铸件凝固到固相当铸件凝固到固相线附近时，晶体周围还线附近时，晶体周围还有少量未凝固的液体，有少量未凝固的液体，构成一层液膜。构成一层液膜。当铸件当铸件收缩收缩因某种因某种原因原因受到阻碍时，晶体受到阻碍时，晶体和晶间液膜内将产生应和晶间液膜内将产生应力力。当应力足够大时，当应力足够大时，液膜就会开裂，形成晶液膜就会开裂，形成晶间裂缝。间裂缝。39/54(三三)影响热裂纹的因素影响热裂纹的因素1 1、冶金因素对热裂纹的影响、冶金因素对热裂纹的影响 冶冶金金因因素素：（1 1）合合金金的的化化学学成成分分；（2 2）凝凝固固组组织形态。织形态。(1)(1)化学成分化学成分1)1)合金元素对凝固温度区的影响合金元素对凝固温度区的影响 合合金金元元素素既既能能影影响响凝凝固固温温度度区区的的大大小小，也也能能影影响响合金在脆性温度区中的塑性。合金在脆性温度区中的塑性。40/54 裂纹倾向的大小是裂纹倾向的大小是随凝固温度区的增大而随凝固温度区的增大而增加。增加。随着合金元素的增随着合金元素的增加，加，凝固温度区增大，凝固温度区增大，同时脆性温度区的范围同时脆性温度区的范围也增大也增大（阴影部分），（阴影部分），因此裂纹的倾向也随之因此裂纹的倾向也随之增大。增大。41/54 可利用合金的相图来分析铸件的凝固裂纹的倾向，可利用合金的相图来分析铸件的凝固裂纹的倾向，图中虚线为裂纹倾向的变化曲线。图中虚线为裂纹倾向的变化曲线。可见，可见，合金的凝固温度区越大，凝固裂纹的倾向就合金的凝固温度区越大，凝固裂纹的倾向就越大越大。42/542)2)杂杂质质元元素素的的偏偏析析以以及及偏偏析析产产物物的的形形态态对对热热裂裂纹纹的的影影响响 杂杂质质元元素素硫硫和和磷磷在在钢钢中中能能形形成成多多种种低低熔熔合合金金，即即使使微微量量存存在在，也也会会使使凝凝固固温温度度区区大大为为增增加加，在在合合金金凝凝固过程中极易形成液态薄膜，显著增加裂纹倾向。固过程中极易形成液态薄膜，显著增加裂纹倾向。硫硫和和磷磷在在钢钢中中还还能能引引起起偏偏析析，富富集集在在晶晶界界，增增加加裂纹倾向。裂纹倾向。所以在铸钢件中，必须限制所以在铸钢件中，必须限制S S、P P的有害作用。的有害作用。（2 2）凝固组织形态对热裂纹的影响）凝固组织形态对热裂纹的影响 对对于于奥奥氏氏体体钢钢，凝凝固固后后晶晶粒粒的的大大小小、形形态态和和方方向向以及析出的初生相等对抗裂性都有很大影响。以及析出的初生相等对抗裂性都有很大影响。晶晶粒粒越越粗粗大大，方方向向性性越越明明显显，产产生生热热裂裂纹纹倾倾向向越越大大。43/542 2、液态成形工艺因素的影响、液态成形工艺因素的影响（1 1）铸型性质的影响）铸型性质的影响 铸铸件件的的凝凝固固收收缩缩受受到到铸铸型型和和型型芯芯的的阻阻力力，铸铸型型和和型型芯芯退退让让性性好好，铸铸件件受受到到的的阻阻力力小小，形形成热裂的可能性也小。成热裂的可能性也小。湿型比干型的退让性好，不易产生热裂。湿型比干型的退让性好，不易产生热裂。铸型或型芯的退让性与采用的铸型或型芯的退让性与采用的粘结剂粘结剂有关。有关。44/54 铸铸件件表表面面粘粘砂砂将将影影响响铸铸件件与与铸铸型型表表面面的的相相对对运运动动，因因而而也也会会影影响响铸铸件件收收缩缩，并并促促使使热热裂裂的的形成。形成。当当采采用用金金属属型型浇浇注注大大的的铸铸铝铝件件时时，由由于于铸铸件件的的表表面面冷冷却却很很快快，会会形形成成一一层层凝凝固固层层。同同时时由由于于收收缩缩使使铸铸件件表表面面离离开开了了铸铸型型壁壁，在在金金属属液液体体静静压压力力的的作作用用下下，因因凝凝固固层层强强度度不不足足也也会会形形成热裂。成热裂。提高金属型的温度提高金属型的温度可以减小热裂倾向。可以减小热裂倾向。45/54（2 2）浇注条件的影响）浇注条件的影响 1 1）浇注温度浇注温度应根据铸件的壁厚来选择。应根据铸件的壁厚来选择。薄薄壁壁铸铸件件要要求求较较高高的的浇浇注注温温度度，以以利利于于充充填填，并并使使凝凝固固速速度度缓缓慢慢均均匀匀，从从而而减减小小热热裂裂倾倾向。向。厚厚壁壁铸铸件件，浇浇注注温温度度过过高高会会增增加加缩缩孔孔容容积积，减减缓缓冷冷却却速速度度，并并使使初初晶晶粗粗化化，形形成成偏偏析析，易易形成热裂形成热裂。此此外外，浇浇注注温温度度过过高高易易引引起起铸铸件件粘粘砂砂或或与与金属型壁粘合，阻碍铸件收缩，引起热裂。金属型壁粘合，阻碍铸件收缩，引起热裂。46/54 2 2）浇注速度对热裂也有影响浇注速度对热裂也有影响。浇浇注注薄薄壁壁件件时时，希希望望型型腔腔内内液液面面上上升升速速度度较较快快，以以防防止止局局部部过过热热。而而对对于于厚厚壁壁铸铸件件则则要要求浇注速度尽可能慢一些。求浇注速度尽可能慢一些。3 3）浇浇注注时时金金属属引引入入铸铸型型的的方方法法对对热热裂裂也也有不可忽视的影响。有不可忽视的影响。一一般般内内浇浇道道附附近近的的温温度度较较高高，冷冷却却较较慢慢，此此处处为为薄薄弱弱环环节节。如如能能将将内内浇浇道道分分散散在在几几处处引引入入铸铸型型，使使收收缩缩应应力力分分散散，也也可可以以减减少少热热裂裂倾倾向。向。47/54（3 3）铸件结构的影响）铸件结构的影响 1 1）当当铸铸件件的的厚厚薄薄不不均均时时，冷冷却却速速度度也也不不同同，薄薄的的部部分分先先凝凝固固，在在降降到到较较低低温温度度时时具具有有较较高高的的强强度度。当当厚厚的的部部分分凝凝固固时时，收收缩缩应应力力易易集中集中于此处，易出现裂纹。于此处，易出现裂纹。2 2）铸铸型型壁壁十十字字交交接接时时，会会在在该该处处形形成成热热节节，并产生应力集中现象，易产生热裂。，并产生应力集中现象，易产生热裂。3 3）浇浇道道开开设设不不当当，也也会会对对铸铸件件的的收收缩缩产产生生阻阻碍碍作作用用，增增大大铸铸件件的的收收缩缩应应力力，致致使使铸铸件件开裂。大型铸钢件尤应注意。开裂。大型铸钢件尤应注意。48/54(1)(1)化学成分的控制化学成分的控制 1)1)在在不不影影响响铸铸件件使使用用性性能能的的前前提提下下，适适当当调调整整合合金金的的化化学学成成分分，减减小小合合金金的的凝凝固固温温度度范范围围。2)2)对对合合金金进进行行微微合合金金化化和和变变质质处处理理。以以细细化化晶晶粒粒，减减少少非非金金属属夹夹杂杂，及及改改变变夹夹杂杂物物的的形形态和分布态和分布。3)3)改改进进铸铸钢钢的的脱脱氧氧工工艺艺，提提高高脱脱氧氧效效果果，以以减少晶界的氧化物夹杂减少晶界的氧化物夹杂，减小热裂倾向。，减小热裂倾向。4)4)用合成渣处理钢液，降低钢中的硫含量。用合成渣处理钢液，降低钢中的硫含量。（四）防止热裂纹的措施（四）防止热裂纹的措施49/54(2)(2)调整工艺调整工艺 1)1)减减小小铸铸件件的的收收缩缩应应力力，如如增增加加铸铸件件和和型型芯芯的的退退让让性性，预预热热铸铸型型，在在铸铸型型和和型型芯芯表表面面刷刷涂料涂料等方法，可降低热裂倾向。等方法，可降低热裂倾向。2)2)改改进进浇浇注注方方法法，设设置置合合理理的的浇浇道道数数量量，控控制制浇浇注注速速度度等等，以以控控制制铸铸件件的的冷冷速速，使使铸铸件件各部分温度相对均匀。各部分温度相对均匀。3)3)设设计计合合理理的的铸铸件件结结构构，避避免免直直角角或或十十字字交交叉叉的的截截面面。在在必必要要时时需需设设置置防防裂裂肋肋，在在两两壁壁相交部位采用相交部位采用冷铁冷铁加速热节的冷却等。加速热节的冷却等。50/54三、冷裂纹三、冷裂纹 在在室室温温附附近近，铸铸件件处处于于弹弹性性状状态态时时，铸铸造造应应力力超超过过合合金金的的强强度度极极限限出出现现的的裂裂纹纹被被称称为为冷冷裂纹裂纹。(一一)冷冷裂裂纹纹的的形形成成条条件件及及其特征其特征1 1冷裂纹的形成条件冷裂纹的形成条件 局局部部区区域域的的延延性性不不足足以以承承受受当当时时应应力力所所产产生的应变量。生的应变量。51/542 2冷裂纹的特征冷裂纹的特征 1 1）从从宏宏观观上上看看，冷冷裂裂纹纹的的断断口口具具有有发亮的金属光泽发亮的金属光泽，呈，呈脆性断裂特征脆性断裂特征。2 2）经微观分析，有的）经微观分析，有的呈晶间断裂呈晶间断裂(即沿晶断裂即沿晶断裂)，有的呈，有的呈穿晶断裂穿晶断裂。常看到的是沿晶与穿晶共存的断口常看到的是沿晶与穿晶共存的断口情况。许多情况下，启裂点是沿晶断裂，情况。许多情况下，启裂点是沿晶断裂，在扩展过程中，可以是沿晶断裂，也可在扩展过程中，可以是沿晶断裂，也可以是穿晶断裂。以是穿晶断裂。52/54（二）冷裂纹的控制（二）冷裂纹的控制 在在液液态态成成型型工工艺艺中中，为为防防止止冷冷裂裂，要要求求降降低低铸铸件件的的冷冷却却速速度度，减减少少铸铸型型和和型型芯芯的的阻阻力力，目目的的在在于于减减小小拘拘束束应应力力。与与防防止止铸铸造造应应力力的的方方法相同。法相同。在在要要求求铸铸件件结结构构和和设设加加强强肋肋方方面面与与防防止止热热裂的要求大致相同。裂的要求大致相同。