第11章(下)——凝固缺陷及控制(2013)兼容版本.pptxVIP

第十一章（下）

凝固缺陷与控制;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;一、热加工和冷却过程中的应力;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;二、控制应力的措施;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;3、降低或消除残余应力;第五节热、冷裂纹及其控制;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;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与外界隔绝，其氧化程度不如表面裂纹明显;1、凝固（结晶）裂纹及其特征;2、凝固裂纹形成机理;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;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;脆性温度区间TB的大小：TB越大，收缩应力作用时间越长，产生的应变量越大，形成热裂纹的倾向越大;三、影响热裂纹形成的因素;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;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。碳能明显增加结晶温度区间，并随着碳含量的增加，初生相可由δ相转为γ相。由于硫和磷在γ相中的溶解度比在δ相中低很多，如果初生相为γ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;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???越大;δ相在奥氏体基底上的分布a）单相奥氏体b）δ＋γ;（二）工艺因素对热裂纹的影响;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;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;2、结构形式的影响;3、拘束度或拘束应力的影响;四、防止热裂纹的措施;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;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;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;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;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

①延迟裂纹

②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）

③低塑性脆化裂纹（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）;焊接生产中经常遇到的低合金钢接头中的延迟裂纹;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;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;敏感温度区间：焊接冷却过程中，当温度足够高时，[H]R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（－100～100℃）时，[H]R才会起致裂作用，这一温度范围称为延迟裂