1、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 第1页，共52页。2/54 1、概念：、概念：内应力内应力：热加工中，工件因经历：热加工中，工件因经历加热与冷却加热与冷却过程，过程，伴随热胀冷缩现象。某些合金发生伴随热胀冷缩现象。某些合金发生相变相变，也引起，也引起收缩和膨胀收缩和膨胀。从而使。从而使工件体积和形态都发生变化工件体积和形态都发生变化。若。若该该变化受阻碍变化受阻碍，便在工件中，便在工件中产生应力产生应力，称为内应，称为内应力。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
2、时应力瞬时应力：在加热冷却过程中形成的应力称为瞬时：在加热冷却过程中形成的应力称为瞬时应力。应力。残余应力残余应力：完全冷却后残存在工件中的应力，称为：完全冷却后残存在工件中的应力，称为残余应力。残余应力。第2页，共52页。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）应力值超过金属屈服极限时，工件发生塑性变形）应力值超过金属屈服极限时，工件发生塑性变形尺尺寸、形状发生变化；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
3、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 当载荷作用方向与构件内应力方向一致时，在内外应当载荷作用方向与构件内应力方向一致时，在内外应力共同作用下力共同作用下超出强度极限超出强度极限导致局部或整体断裂；导致局部或整体断裂；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。第3页，共52页。4/54第一节第一节 内应力内应力 内应力按产生原因分：内应力按产生原因分：热应力、相变应力和机械阻碍热应力、相变应力和机械阻碍应力应力。（一）热应力（一）热应力 工件在受热及冷却过程中，由于各部分温度工件在受热及冷却过程中，由于各部分温度不同、冷
4、却速度不同造成工件上同一时刻各部分不同、冷却速度不同造成工件上同一时刻各部分收缩（或膨胀）量不同，从而导致内部彼此相互收缩（或膨胀）量不同，从而导致内部彼此相互制约而产生应力。由于是由热胀冷缩引起，故称制约而产生应力。由于是由热胀冷缩引起，故称为为热应力热应力。第4页，共52页。5/54例：金属框例：金属框若整体均匀加热和均匀冷却，若整体均匀加热和均匀冷却，不会产生应力；不会产生应力；若只加热中心杆若只加热中心杆温度上升、温度上升、发生伸长发生伸长但会受两侧杆的但会受两侧杆的阻碍阻碍受压缩力作用；两侧受压缩力作用；两侧杆受中心杆作用杆受中心杆作用受拉伸力受拉伸力作用。作用。若热应力较小若热应力
5、较小，低于材料的屈，低于材料的屈服强度服强度框架内不产生塑框架内不产生塑性变形性变形温度均匀化后温度均匀化后热应力消失。热应力消失。第5页，共52页。6/54例：金属框例：金属框若热应力较大若热应力较大，超过材料的，超过材料的屈服强度屈服强度中心杆产生中心杆产生压压缩塑性变形缩塑性变形。当温度下降到。当温度下降到原始状态时，若中心杆能原始状态时，若中心杆能自由收缩，长度必然比原自由收缩，长度必然比原来的短，缩短量就是压缩来的短，缩短量就是压缩塑性变形量；实际上，受塑性变形量；实际上，受两侧杆阻碍，中心杆不能两侧杆阻碍，中心杆不能自由收缩自由收缩中心杆受拉应中心杆受拉应力、两侧杆受压应力力、两侧
6、杆受压应力形成形成新的内应力体系新的内应力体系残余应残余应力。力。第6页，共52页。7/54 热应力的表达式：热应力的表达式：式中，式中，T温度增量；温度增量；E为弹性模量，常量；为弹性模量，常量；为线膨胀为线膨胀系数，常量。系数，常量。TE（二）铸件内的应力与变形（二）铸件内的应力与变形 铸件在凝固后的冷却过程中，由于各部分冷速不一铸件在凝固后的冷却过程中，由于各部分冷速不一致，引起收缩量不同，因各部分彼此相联、互相制约，致，引起收缩量不同，因各部分彼此相联、互相制约，产生热应力。产生热应力。第7页，共52页。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，
7、杆组成，杆较厚较厚，杆，杆较薄。较薄。假设假设：（1）杆）杆和和杆杆从同一温度从同一温度T TH H开始冷开始冷却，最后冷却到却，最后冷却到T T0 0；（2）Tk温度以上，合金塑性状态；温度以上，合金塑性状态；Tk温温度以下弹性变形；度以下弹性变形；（3）冷却过程中不发生固态相变）冷却过程中不发生固态相变，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常数，）材料线胀系数和弹性模量为常数，不随温度变化。不随温度变化。第8页，共52页。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
8、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。第9页，共52页。10/54杆杆和杆和杆的收缩率曲线的收缩率曲线 由于铸件自由收缩率由于铸件自由收缩率与温度成正比，故该曲线与温度成正比，故该曲线外形与冷却曲线一致。虚外形与冷却曲线一致。虚线线C C0 0C C1 1C C2 2C C3 3为两杆联在一起为两杆联在一起收缩后的曲线。收缩后的曲线。第10页，共52页。11/54 在时间在时间t t0 0t t1 1内，内，T T、T T T Tk k，杆杆和和杆杆均处于塑性状态。均处于塑性状态。杆杆被被塑性压缩，塑性压缩，杆杆被塑性拉伸。被塑性拉伸。铸件铸件不产生热应力不产生热应力。在
9、时间在时间t t1 1t t2 2内，内，T T T Tk k、T T T Tk k，杆杆仍处于塑性状态，仍处于塑性状态，杆杆处于处于弹性状态。铸件收缩由变形困难的弹性状态。铸件收缩由变形困难的杆杆决定，决定，杆杆处于塑性状态对处于塑性状态对杆杆无阻力。无阻力。铸件仍不产生热应力铸件仍不产生热应力。第11页，共52页。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，两杆均两杆均处于弹性状处于弹性状态。但杆态。但杆温度高于温度高于杆杆温度温度，杆，杆收缩比收缩比杆杆严重，所以严重，所以杆杆被弹性拉伸被弹性拉伸拉应力拉应力，杆杆被弹性压缩被弹性压
10、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。第12页，共52页。13/54（三）相变应力（三）相变应力 具有相变的合金，各部分发生相变具有相变的合金，各部分发生相变先后及程度先后及程度不同，产生的应力称为不同，产生的应力称为相变应相变应力力。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）在冷却过程中，当铸件内层处于塑性状态时，外层已经开始发生相变。如析出）在冷却过程中，当铸件内层处于塑性状态时，外层已经开始发生相变。如析出新相体积大于旧相，则铸件外层发生膨胀，内层塑性变形，铸件新相体积大于旧相，则铸件外层发生膨胀，内层塑性变形，铸件不会产
11、生相变应力不会产生相变应力。铸件继续冷却，内层也达到弹性状态，产生体积膨胀的相变铸件继续冷却，内层也达到弹性状态，产生体积膨胀的相变外层外层发发生弹性拉伸生弹性拉伸拉应力拉应力；内层内层弹性压缩弹性压缩压应力压应力。内层相变应力与热应力符号。内层相变应力与热应力符号相反（内层温度高，收缩严重，被外层阻碍相反（内层温度高，收缩严重，被外层阻碍拉应力）。拉应力）。（2）外层发生相变时，内层处于弹性状态，但内层不发生相变）外层发生相变时，内层处于弹性状态，但内层不发生相变相当于表相当于表面淬火处理。面淬火处理。外层外层发生相变产生体积膨胀发生相变产生体积膨胀受内层制约受内层制约压应力压应力，内层内层
12、拉应力拉应力。内层因外层相变产生的应力与热应力符号相同（外层激冷，温度低，。内层因外层相变产生的应力与热应力符号相同（外层激冷，温度低，内层相对温度高，继续冷却，内层拉应力）。内层相对温度高，继续冷却，内层拉应力）。第13页，共52页。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应力称为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
13、。（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、分型面上的铸件飞边飞边。（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，则应力消失。）若应力是在弹性范围内，当阻碍消除后，则应力消失。（3）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）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。内应力加剧，甚至导致工件中出现
14、裂纹。第14页，共52页。15/54 综上所述，综上所述，铸件内的应力是热应力、铸件内的应力是热应力、相变应力及机械阻碍应力的总和相变应力及机械阻碍应力的总和，在冷却，在冷却过程中的某一瞬时，当局部应力的总和大过程中的某一瞬时，当局部应力的总和大于金属在该温度下的强度极限时，工件就于金属在该温度下的强度极限时，工件就会产生裂纹。会产生裂纹。工件中的残余应力并非是永久性的。工件中的残余应力并非是永久性的。经过热处理，即在一定温度下经过一定时经过热处理，即在一定温度下经过一定时间后，工件内各部分应力会重新分配或消间后，工件内各部分应力会重新分配或消失。失。第15页，共52页。16/54三、减小或消
15、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。第16页，共52页。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、浇注铸件时，在满足使用要求的前提下，应、浇注铸件时，在满足使用要求的前提下，应选择弹性选择弹性模量和收缩系数小的材料
16、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、采用较细的面砂和涂料采用较细的面砂和涂料，可减小铸件表面的摩擦阻力；，可减小铸件表面的摩擦阻力；4 4、控制铸型和型芯的紧实度、加木屑、焦炭等控制铸型和型芯的紧实度、加木屑、焦炭等可提高铸型及可提高铸型及型芯的退让性；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，但为了减小铸，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。型和型芯的阻力，也不能打箱过迟。第17页，共52页。18/54(三三)残余应力的消除残余应力的消
17、除1 1热处理法热处理法最常用的方法最常用的方法 将工件加热到塑性状态的温度将工件加热到塑性状态的温度，并在此温度下保温一段时，并在此温度下保温一段时间，利用蠕变产生新的塑性变形，使应力消除。再缓慢冷却，间，利用蠕变产生新的塑性变形，使应力消除。再缓慢冷却，使厚、薄部位的温度均匀，而不重新出现应力。使厚、薄部位的温度均匀，而不重新出现应力。加热温度和保温时间，需根据材料的性质、工件的结构以及加热温度和保温时间，需根据材料的性质、工件的结构以及冷却条件而定。冷却条件而定。第18页，共52页。19/54 2 2自然时效法自然时效法 将有残余应力的铸件放置在将有残余应力的铸件放置在露天场地，经数月乃
18、至半年露天场地，经数月乃至半年时间以上时间以上，应力慢慢自然消失。，应力慢慢自然消失。特点：长时间受不断变化温度作用，晶格畸变恢复，特点：长时间受不断变化温度作用，晶格畸变恢复，铸铸件变形件变形，应力消除。，应力消除。费用低，费用低，但时间太长，但时间太长，效率低效率低，近代，近代很少很少采用采用。3 3共振法共振法 将铸件将铸件在共振条件下振动在共振条件下振动10-15min10-15min，以达到消除铸件中，以达到消除铸件中残余应力的目的。残余应力的目的。该法与热处理法相比，该法与热处理法相比，设备费用低设备费用低，花费的，花费的时间少时间少，易易于操作于操作，而且，而且无氧化皮无氧化皮，
19、不受工件大小尺寸的限制不受工件大小尺寸的限制，也，也不会不会由于热处理规范不当而产生新的内应力或裂纹由于热处理规范不当而产生新的内应力或裂纹。第19页，共52页。20/54第二节第二节 变形变形 当工件的形状尺寸发生变化与图样不符合时，说明工件发生了变当工件的形状尺寸发生变化与图样不符合时，说明工件发生了变形。若为铸造所致，被称为形。若为铸造所致，被称为铸造变形铸造变形。当工件在某一温度下所承受的应力大于该温度下材料的屈服当工件在某一温度下所承受的应力大于该温度下材料的屈服强度时，工件就会发生变形，以减小内应力，趋于稳定状态。等强度时，工件就会发生变形，以减小内应力，趋于稳定状态。等待工件完全
20、冷却后，遗留下的变形被称为待工件完全冷却后，遗留下的变形被称为残余变形残余变形。一、变形的种类一、变形的种类(一一)整体变形整体变形 整体变形是指整个结构形状和尺寸发生变化，它是由各个方向收整体变形是指整个结构形状和尺寸发生变化，它是由各个方向收缩而引起的。缩而引起的。第20页，共52页。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
21、外凸，如图中虚线所示。图中虚线所示。第21页，共52页。22/54 上图中上图中I I杆厚，杆厚，杆薄：杆薄：当两者温度都低于弹当两者温度都低于弹性温度时，由于性温度时，由于杆杆比比I I杆先冷，所以，当杆先冷，所以，当I I杆冷至室温后，杆冷至室温后，I I杆杆的收缩受到的收缩受到杆的限杆的限制，而承受拉伸应力，制，而承受拉伸应力，杆承受压缩应力。杆承受压缩应力。故在长度方向，故在长度方向，I I杆向杆向下凹，而杆下凹，而杆向下凸。向下凸。第22页，共52页。23/54 下图中下图中I I杆薄，杆薄，杆厚：杆厚：其原理如上述，只是其原理如上述，只是I I杆与杆与杆的关系相对换。杆的关系相对换
22、。从而，从而，I I杆受到压应力，杆受到压应力，向上凸，向上凸，杆受到拉杆受到拉应力，向上凹。应力，向上凹。第23页，共52页。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，截面由于机床床身的导轨面较厚，而侧壁较薄，截面形态如图形态如图a上图的状态。所以，其变形方向是向下凹。上图的状态。所以，其变形方向是向下凹。第24页，共52页。25/54例：厚薄均匀的平板铸件例：厚薄均匀的平板铸件 由于平板中心部分比四周冷却由于平板中心部分比四周冷却得慢，以致得慢，以致中心部分产生拉应中心部分产生拉应力力(四周约束，无法收缩四周约束，无法收缩)，而，而四周产生压应力
23、四周产生压应力（因受向心力而（因受向心力而互相挤压）。互相挤压）。当平板上下两面存在温差时，就可当平板上下两面存在温差时，就可能产生弯曲变形。通常上面的导热能产生弯曲变形。通常上面的导热差，冷到室温的时间较长（收缩时差，冷到室温的时间较长（收缩时下面不随着变化），因此平板的变下面不随着变化），因此平板的变形呈向下凹（从上边看）的形态。形呈向下凹（从上边看）的形态。第25页，共52页。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 局部变形是指结构的某些部分发生局部变形是指结构的某些部分发生的变形。的变形。带轮的特点是带轮的特点是轮缘和轮辐比轮毂轮缘和轮辐比轮毂薄
24、薄，当轮毂进入弹性状态时，其收缩，当轮毂进入弹性状态时，其收缩受到轮缘和轮辐的阻碍，所以受到轮缘和轮辐的阻碍，所以轮毂受轮毂受拉应力，轮缘受压应力，轮辐亦受拉应力，轮缘受压应力，轮辐亦受拉应力。拉应力。第26页，共52页。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、材料的、材料的线胀系数越大，则产生的塑性变形越大线胀系数越大，则产生的塑性变形越大。冷却后，。冷却后，纵向和横向的收缩也越大。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
25、：不锈钢的线胀系数比低碳钢大，因而变形也大。2、导热性好的金属导热性好的金属，如铝及其合金，因其线胀系数大，且，如铝及其合金，因其线胀系数大，且在高温时的强度较低，在高温时的强度较低，变形也大变形也大。第27页，共52页。28/54(二二)工艺因素工艺因素 在铸造中，用来制作木模的在铸造中，用来制作木模的木料木料未干燥，或重新吸收水未干燥，或重新吸收水分，以致分，以致木模产生变形木模产生变形，从而导致砂型和铸件产生变形。，从而导致砂型和铸件产生变形。模型的刚度不足模型的刚度不足或强度不够、模型放置在不平的底板上、上或强度不够、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。下砂型
26、夹紧不良等均能导致铸件的变形。第28页，共52页。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 结构的设计不仅需要考虑强结构的设计不仅需要考虑强度、刚度和稳定性，而且还需要度、刚度和稳定性，而且还需要考虑制造工艺。考虑制造工艺。在铸件的结构设计中，可以在铸件的结构设计中，可以采用局部加厚、设置拉肋等方法采用局部加厚、设置拉肋等方法来减小铸件变形。如带轮的轮缘来减小铸件变形。如带轮的轮缘厚度比轮毂薄，冷却后容易向内厚度比轮毂薄，冷却后容易向内凹，导致加工余量不足。为此可凹，导致加工余量不足。为此可以在轮缘与轮毂连接处的外圆，以在轮缘与轮毂连接处的外
27、圆，进行局部加厚。进行局部加厚。第29页，共52页。30/54 铸件的法兰部分因收铸件的法兰部分因收缩受到砂芯或砂型的阻碍缩受到砂芯或砂型的阻碍而变形，因而可以在该处而变形，因而可以在该处设置拉肋设置拉肋，阻止法兰变形。，阻止法兰变形。第30页，共52页。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 反变形法就是根据结构件变形的情况，反变形法就是根据结构件变形的情况，预先给出一预先给出一个方向相反、大小相等的变形个方向相反、大小相等的变形，用来抵消结构件在加工过程，用来抵消结构件在加工过程中产生的变形，使加工后的结构件符合设计要求。中产生的变形，使加工后
28、的结构件符合设计要求。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。机床床身的铸造中，为防止其变机床床身的铸造中，为防止其变形，采用如图所示的反变形，床身的形，采用如图所示的反变形，床身的模样要分成两段，造型时导轨面向下模样要分成两段，造型时导轨面向下，浇注出的铸件如图中实线所示。，浇注出的铸件如图中实线所示。第31页，共52页。32/542、合理的工艺、合理的工艺（1 1）加压铁）加压铁 浇注前，可将压铁放在砂浇注前，可将压铁放在砂箱上，以防止铸件的弯曲变形。箱上，以防止铸件的弯曲变形。原理：砂箱内铁液充填时出现原理：砂箱内铁液充填时出现浮力，将上砂箱上
29、抬，压铁通过浮力，将上砂箱上抬，压铁通过铁垫对浮力产生压力。这样，铁垫对浮力产生压力。这样，既既可避免砂箱上抬时跑铁液，同时可避免砂箱上抬时跑铁液，同时也能防止铸件的变形也能防止铸件的变形。第32页，共52页。33/54（2 2）控制铸件出型时间）控制铸件出型时间 若若出型过早出型过早，由于温度高，由于温度高，遇风后各部分的遇风后各部分的温差会加剧温差会加剧，而导致而导致变形量增加变形量增加。若铸件早出。若铸件早出型后立即退火，使铸件缓慢冷却，型后立即退火，使铸件缓慢冷却，就可减小变形量。就可减小变形量。（3 3）对于半圆形的铸件可将两个）对于半圆形的铸件可将两个铸件连在一起浇注，使铸件连在一
30、起浇注，使柔性结构柔性结构变为刚性结构变为刚性结构，以防止铸件的变，以防止铸件的变形。形。第33页，共52页。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 液态成形过程中，在高温阶段产生的开裂现象，多在固相线液态成形过程中，在高温阶段产生的开裂现象，多在固相线附近发生，故称为附近发生，故称为“热裂纹热裂纹”。第34页
31、，共52页。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。条件条件：高温阶段晶间的延性或塑性变：高温阶段晶间的延性或塑性变形能力不足以承受当时应力所产生的应变形能力不足以承受当时应力所产生的应变量。量。在金属凝固过程中，存在一个在金属凝固过程中，存在一个“脆性脆性温度区温度区”，它具有最低的延性，受力时易，它具有最低的延性，受力时易于产生热裂纹。于产生热裂纹。第35页，共52页。36/54 2 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；
32、（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。第36页，共52页。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“脆性温度脆性温度区区”。热裂就是在脆性区内形成的热裂就是在脆性区内形成的。脆性区愈大，金。脆性区愈大，金属处于低塑性时间愈长，热裂越易形成。属处于低塑性时间愈长，热裂越易形成。铸件凝固时如能自由收缩，不受外部和内部阻力，铸件凝固时如能自由收缩，不受外部
33、和内部阻力，即使强度低也不会形成热裂。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，使铸件内，使铸件内部产生应力。如果应力超过金属在该温度的强度，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。即产生热裂。第37页，共52页。38/54 2、液膜理论、液膜理论 当铸件凝固到固相线当铸件凝固到固相线附近时，晶体周围还有少附近时，晶体周围还有少量未凝固的液体，构成一量未凝固的液体，构成一层液膜。层液膜。当铸件当铸件收缩收缩因某种原因某种原因因受到阻碍时，晶体和晶间受到阻碍时，晶体和晶间液膜内将产生应力液膜内将产生应力。当应力足够大时，液膜当应力足够大时
34、，液膜就会开裂，形成晶间裂缝。就会开裂，形成晶间裂缝。第38页，共52页。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 冶金因素：（冶金因素：（1 1）合金的化学成分；（合金的化学成分；（2 2）凝固组织形）凝固组织形态。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 合金元素既能影响凝固温度区的大小，也能影响合金在脆性合金元素既能影响凝固温度区的大小，也能影响合金在脆性温度区中的塑性。温度区中的塑性。第39页，共52页。40/54 裂纹倾向的大小是随裂纹倾向的大小是随凝固温度区的增大而
35、增加。凝固温度区的增大而增加。随着合金元素的增加，随着合金元素的增加，凝固温度区增大，同时脆凝固温度区增大，同时脆性温度区的范围也增大性温度区的范围也增大（阴影部分），因此裂纹（阴影部分），因此裂纹的倾向也随之增大。的倾向也随之增大。第40页，共52页。41/54 可利用合金的相图来分析铸件的凝固裂纹的倾向，图中虚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。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，凝固裂纹的倾向就越大合金的凝固温度区越大，凝固裂纹的倾向就越大。第41页，共52页。42/54 2)2)杂质元素的偏析以及偏析产物的形态对热裂纹的影响杂
36、质元素的偏析以及偏析产物的形态对热裂纹的影响 杂质元素硫和磷在钢中能形成多种杂质元素硫和磷在钢中能形成多种低熔合金低熔合金，即使微，即使微量存在，也会使量存在，也会使凝固温度区大为增加凝固温度区大为增加，在合金凝固过程中极，在合金凝固过程中极易形成液态薄膜，显著增加裂纹倾向。易形成液态薄膜，显著增加裂纹倾向。硫和磷在钢中还能硫和磷在钢中还能引起偏析引起偏析，富集在晶界，增加裂纹倾，富集在晶界，增加裂纹倾向。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 对于奥氏体钢，凝固后晶粒的大小、形
37、态和方向以及析出对于奥氏体钢，凝固后晶粒的大小、形态和方向以及析出的初生相等对抗裂性都有很大影响。的初生相等对抗裂性都有很大影响。晶粒越粗大，方向性越明显，产生热裂纹倾向越大晶粒越粗大，方向性越明显，产生热裂纹倾向越大。第42页，共52页。43/54 2 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 铸件的凝固收缩受到铸型和型芯的阻力，铸件的凝固收缩受到铸型和型芯的阻力，铸型和铸型和型芯退让性好，铸件受到的阻力小，形成热裂的可型芯退让性好，铸件受到的阻力小，形成热裂的可能性也小。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
38、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。第43页，共52页。44/54 铸件铸件表面粘砂表面粘砂将影响铸件与铸型表面的将影响铸件与铸型表面的相对运相对运动动，因而也会影响铸件收缩，并促使热裂的形成。，因而也会影响铸件收缩，并促使热裂的形成。当采用金属型浇注大的铸铝件时，由于铸件当采用金属型浇注大的铸铝件时，由于铸件的表面冷却很快，会形成一层凝固层。同时由于的表面冷却很快，会形成一层凝固层。同时由于收缩使铸件表面离开了铸型壁，在金属液体静压收缩使铸件表面离开了铸型壁，在金属液体静压力的作用下，因力的作用下，因凝固层强度不足凝固层强度不足也会形成热裂
39、。也会形成热裂。提提高金属型的温度高金属型的温度可以减小热裂倾向。可以减小热裂倾向。第44页，共52页。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。薄壁铸件要求较高的浇注温度薄壁铸件要求较高的浇注温度，以利于充，以利于充填，并使凝固速度缓慢均匀，从而减小热裂倾向。填，并使凝固速度缓慢均匀，从而减小热裂倾向。厚壁铸件厚壁铸件，浇注温度过高浇注温度过高会增加缩孔容积，减会增加缩孔容积，减缓冷却速度，并使初晶粗化，形成偏析，缓冷却速度，并使初晶粗化，形成偏析，易形成热裂易形成热裂。此外，浇注温度过高易引起铸件此外，浇注温
40、度过高易引起铸件粘砂粘砂或与金属或与金属型壁粘合，阻碍铸件收缩，引起热裂。型壁粘合，阻碍铸件收缩，引起热裂。第45页，共52页。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。浇注薄壁件时，希望型腔内液面上升速度较浇注薄壁件时，希望型腔内液面上升速度较快，以防止局部过热。而对于厚壁铸件则要求浇快，以防止局部过热。而对于厚壁铸件则要求浇注速度尽可能慢一些。注速度尽可能慢一些。3 3）浇注时）浇注时金属引入铸型的方法金属引入铸型的方法对热裂也有不可对热裂也有不可忽视的影响。忽视的影响。一般内浇道附近的温度较高，冷却较慢，一般内浇道附近的温度较高，冷却较慢，此处为薄弱环节。如能此处
41、为薄弱环节。如能将内浇道分散在几处引入铸将内浇道分散在几处引入铸型型，使收缩应力分散，也可以减少热裂倾向。，使收缩应力分散，也可以减少热裂倾向。第46页，共52页。47/54（3 3）铸件结构的影响）铸件结构的影响 1 1）当）当铸件的厚薄不均铸件的厚薄不均时，冷却速度也不同，时，冷却速度也不同，薄的部分先凝固，在降到较低温度时具有较高的强薄的部分先凝固，在降到较低温度时具有较高的强度。当厚的部分凝固时，收缩度。当厚的部分凝固时，收缩应力易集中应力易集中于此处，于此处，易出现裂纹。易出现裂纹。2 2）铸型壁）铸型壁十字交接十字交接时，会在该处形成时，会在该处形成热节热节，并产生应力集中现象，易
42、产生热裂。并产生应力集中现象，易产生热裂。3 3）浇道开设不当浇道开设不当，也会对铸件的收缩产生，也会对铸件的收缩产生阻阻碍碍作用，增大铸件的收缩应力，致使铸件开裂。作用，增大铸件的收缩应力，致使铸件开裂。大型铸钢件尤应注意。大型铸钢件尤应注意。第47页，共52页。48/54(1)(1)化学成分的控制化学成分的控制 1)1)在不影响铸件使用性能的前提下，适当调在不影响铸件使用性能的前提下，适当调整合金的化学成分，整合金的化学成分，减小合金的凝固温度范围减小合金的凝固温度范围。2)2)对合金进行微合金化和变质处理。以对合金进行微合金化和变质处理。以细化晶细化晶粒，减少非金属夹杂，及改变夹杂物的形
43、态和分粒，减少非金属夹杂，及改变夹杂物的形态和分布布。3)3)改进铸钢的脱氧工艺，提高脱氧效果，以改进铸钢的脱氧工艺，提高脱氧效果，以减减少晶界的氧化物夹杂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）防止热裂纹的措施第48页，共52页。49/54(2)(2)调整工艺调整工艺 1)1)减小铸件的收缩应力，如增加铸件和型芯减小铸件的收缩应力，如增加铸件和型芯的的退让性，预热铸型退让性，预热铸型，在铸型和型芯表面，在铸型和型芯表面刷涂料刷涂料等等方法，可降低热裂倾向。方法，可降低热裂倾向
44、。2)2)改进浇注方法，改进浇注方法，设置合理的浇道数量，控制设置合理的浇道数量，控制浇注速度浇注速度等，以控制铸件的冷速，使铸件各部分温度等，以控制铸件的冷速，使铸件各部分温度相对均匀。相对均匀。3)3)设计合理的铸件结构，设计合理的铸件结构，避免直角或十字交叉避免直角或十字交叉的截面。在必要时需的截面。在必要时需设置防裂肋设置防裂肋，在两壁相交部位，在两壁相交部位采用采用冷铁冷铁加速热节的冷却等。加速热节的冷却等。第49页，共52页。50/54三、冷裂纹三、冷裂纹 在室温附近，铸件处于在室温附近，铸件处于弹性状态时，铸造应力超过弹性状态时，铸造应力超过合金的强度极限出现的裂纹合金的强度极限
45、出现的裂纹被称为被称为冷裂纹冷裂纹。(一一)冷裂纹的形成条件及其特冷裂纹的形成条件及其特征征1 1冷裂纹的形成条件冷裂纹的形成条件 局部区域的延性局部区域的延性不足不足以以承受当时应力所产生的应承受当时应力所产生的应变量。变量。第50页，共52页。51/54 2 2冷裂纹的特征冷裂纹的特征 1 1）从宏观上看，冷裂纹的断口具有）从宏观上看，冷裂纹的断口具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
46、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。第51页，共52页。52/54（二）冷裂纹的控制（二）冷裂纹的控制 在液态成型工艺中，为防止冷裂，要求在液态成型工艺中，为防止冷裂，要求降低降低铸件的冷却速度，减少铸型和型芯的阻力铸件的冷却速度，减少铸型和型芯的阻力，目的在于，目的在于减小拘束应力。与防止铸造应力的方法相同。减小拘束应力。与防止铸造应力的方法相同。在要求铸件结构和设加强肋方面与防止热在要求铸件结构和设加强肋方面与防止热裂的要求大致相同。裂的要求大致相同。第52页，共52页。
