第五节-热裂纹.pptVIP

青岛科技大学机电工程学院 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》 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。金属在加工和使用过程中，可能会出现各种裂纹，如热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹等。裂纹是可以引发灾难性事故的、危害最大的一类缺陷。 第五节 热裂纹 一、热裂纹的分类及特征 二、热裂纹的形成机理 三、热裂纹的影响因素及防止措施 一、热裂纹的分类及特征 凝固裂纹 液化裂纹 高温失延裂纹 1、凝固裂纹 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。 液化裂纹的形成机理 液化裂纹是一种沿奥氏体晶界开裂的微裂纹，一般认为是由于热影响区或多层焊层间金属奥氏体晶界上的低熔点共晶，在焊接高温下发生重新熔化，使金属的塑性和强度急剧下降，在拉伸应力作用下沿奥氏体晶界开裂而形成的。 液化裂纹 高温失延裂纹的形成机理 在固相线以下的高温阶段，金属处于不断增长的固相收缩应力作用之下，变形方式主要是依靠位错或空位沿着晶界的扩散、移动进行。当沿晶界的扩散变形遇到障碍时（如三晶粒相交的顶点），就会因应变集中导致裂纹。空穴开裂理论认为晶界滑动和晶界迁移同时发生，两者共同作用可形成晶界台阶，进而形成空穴并发展成微裂纹。 σ σ τ τ B A C 裂纹 τ τ τ τ A B A B 微裂纹 二、热裂纹的形成机理 液态金属凝固结晶 液固状态 固液状态 偏析 低熔点共晶液态薄膜 脆性温度区间 凝固收缩 应力与应变 拘束 凝固 裂纹 TB δ T/℃ TL TH TS TS δ＝Φ(T) 裂纹 图11-48 产生凝固裂纹的条件 ε－应变 δ－塑性 TL－液相线 TS－固相线 TB－脆性温度区 TH－TB上限 TS－TB下限 TB ε,δ T/℃ TL TH TS TS δmin 1 2 3 ε＝ f (T) δ＝Φ(T) 随温度下降，应变ε增大。 应变增长率与材质有关，还与焊接规范、拘束程度等工艺因素有关。 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δmin越低，产生热裂纹的倾向越大。 TB 内的应变增长率 ?ε/?T 越大，越容易产生裂纹。线2 所对应的 ?ε/?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。 三、热裂纹的影响因素及防止措施 冶金因素 工艺因素 防止热裂纹的措施 结晶裂纹倾向试验 凝固温度区的影响 合金元素和杂质元素的影响 凝固组织形态的影响 （一）影响热裂纹倾向的冶金因素 1．凝固温度区的影响 凝固温度区增大 脆性温度区范围增大 凝固裂纹的倾向增大 合金相图与结晶裂纹 wB /% wB /% 裂纹倾向/% 温 度 /℃ 图11-53 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 a） b） c） d） 温度T/℃ 2、合金元素和杂质元素的影响 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。 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 与 Mn 的影响 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。 合金系 共晶成分（质量分数/%） 共晶温度/℃ Fe-S Fe，FeS（S31） 988 Fe-P Fe，Fe3P（P10.5） Fe3P，FeP（P27） 1050 1260 Fe-Si Fe3Si，FeSi（Si20.5） 1200 Fe-Sn Fe，FeSn（Fe2Sn2，FeSn） （Sn48.9） 1120 Fe-Ti Fe，TiFe2（Ti16） 1340 Ni-S Ni，Ni3S2（S21.5） 645 Ni-P Ni，Ni3P（P11） Ni3P，Ni2P（P20） 880 1106 Ni-B Ni，Ni2B（B4） Ni3B2，NiB（B12） 1140 990 Ni-Al γNi，Ni3Al（Ni89） 1385 Ni-Zr Zr，Zr2Ni（Ni17） 961 Ni-Mg Ni，Ni2Mg（Ni11） 1095 碳在钢中是影响热裂纹的主要元素，并能加剧硫﹑磷及其他元素的有害作用。碳能明