在應(yīng)力與致脆因素的共同作用下，使材料的原子結(jié)合遭到破壞，在形成新界面時(shí)產(chǎn)生的縫隙稱為裂紋。金屬在加工和使用過程中，可能會(huì)出現(xiàn)各種裂紋，如熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋、層狀撕裂和應(yīng)力腐蝕裂紋等。裂紋是可以引發(fā)災(zāi)難性事故的、危害最大的一類缺陷。第五節(jié)熱裂紋一、熱裂紋的分類及特征二、熱裂紋的形成機(jī)理三、熱裂紋的影響因素及防止措施一、熱裂紋的分類及特征

凝固裂紋

液化裂紋

高溫失延裂紋1、凝固裂紋金屬凝固結(jié)晶末期，在固相線附近發(fā)生的晶間開裂現(xiàn)象，稱為凝固裂紋或結(jié)晶裂紋。其形成與凝固末期晶間存在的液膜有關(guān)，斷口具有沿晶間液膜分離的特征。裂紋無金屬光澤，有明顯的氧化色彩。液化裂紋的形成機(jī)理液化裂紋是一種沿奧氏體晶界開裂的微裂紋，一般認(rèn)為是由于熱影響區(qū)或多層焊層間金屬奧氏體晶界上的低熔點(diǎn)共晶，在焊接高溫下發(fā)生重新熔化，使金屬的塑性和強(qiáng)度急劇下降，在拉伸應(yīng)力作用下沿奧氏體晶界開裂而形成的。液化裂紋高溫失延裂紋的形成機(jī)理

在固相線以下的高溫階段，金屬處于不斷增長的固相收縮應(yīng)力作用之下，變形方式主要是依靠位錯(cuò)或空位沿著晶界的擴(kuò)散、移動(dòng)進(jìn)行。當(dāng)沿晶界的擴(kuò)散變形遇到障礙時(shí)（如三晶粒相交的頂點(diǎn)），就會(huì)因應(yīng)變集中導(dǎo)致裂紋?？昭ㄩ_裂理論認(rèn)為晶界滑動(dòng)和晶界遷移同時(shí)發(fā)生，兩者共同作用可形成晶界臺(tái)階，進(jìn)而形成空穴并發(fā)展成微裂紋。

σσττBAC裂紋ττττABAB微裂紋二、熱裂紋的形成機(jī)理液態(tài)金屬凝固結(jié)晶液固狀態(tài)固液狀態(tài)偏析低熔點(diǎn)共晶液態(tài)薄膜脆性溫度區(qū)間凝固收縮應(yīng)力與應(yīng)變拘束凝固裂紋TBδT/℃TLTHTSTS'δ＝Φ(T)裂紋圖11-48產(chǎn)生凝固裂紋的條件ε－應(yīng)變?chǔ)模苄訲L－液相線TS－固相線TB－脆性溫度區(qū)TH－TB上限TS'－TB下限TBε,δT/℃TLTHTSTS'δmin123ε＝f(T)δ＝Φ(T)隨溫度下降，應(yīng)變?chǔ)旁龃?。?yīng)變增長率與材質(zhì)有關(guān)，還與焊接規(guī)范、拘束程度等工藝因素有關(guān)。脆性溫度區(qū)TB

越大，收縮應(yīng)力的作用時(shí)間就越長，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δmin越低，產(chǎn)生熱裂紋的傾向越大。

TB內(nèi)的應(yīng)變增長率?ε/?T

越大，越容易產(chǎn)生裂紋。線2所對應(yīng)的?ε/?T為臨界應(yīng)變增長率，用“CST”表示。CST越大，材料對熱裂紋敏感性越小。

三、熱裂紋的影響因素及防止措施

冶金因素

工藝因素

防止熱裂紋的措施

結(jié)晶裂紋傾向試驗(yàn)

凝固溫度區(qū)的影響

合金元素和雜質(zhì)元素的影響

凝固組織形態(tài)的影響（一）影響熱裂紋傾向的冶金因素1．凝固溫度區(qū)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合金相圖與結(jié)晶裂紋

wB

/%wB/%裂紋傾向/%溫度/℃圖11-53二元合金相圖與凝固裂紋傾向的關(guān)系a）完全互溶b）有限固溶c）機(jī)械混合物d）完全不固溶虛線－凝固裂紋傾向的變化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)變增長率CST

等。合金系共晶成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）共晶溫度/℃Fe-SFe，F(xiàn)eS（S31）988Fe-PFe，F(xiàn)e3P（P10.5）Fe3P，F(xiàn)eP（P27）10501260Fe-SiFe3Si，F(xiàn)eSi（Si20.5）1200Fe-SnFe，F(xiàn)eSn（Fe2Sn2，F(xiàn)eSn）（Sn48.9）1120Fe-TiFe，TiFe2（Ti16）1340Ni-SNi，Ni3S2（S21.5）645Ni-PNi，Ni3P（P11）Ni3P，Ni2P（P20）8801106Ni-BNi，Ni2B（B4）Ni3B2，NiB（B12）1140990Ni-AlγNi，Ni3Al（Ni89）1385Ni-ZrZr，Zr2Ni（Ni17）961Ni-MgNi，Ni2Mg（Ni11）1095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δ相轉(zhuǎn)為γ相。由于硫和磷在γ相中的溶解度比在δ相中低很多，如果初生相為γ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11-54Fe-C相圖的高溫部分溫度T/℃wC/%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?，提高金屬的抗裂性。鋼中碳含量增加時(shí)，Mn的加入量也要相應(yīng)增加。當(dāng)wC＜0.16％時(shí)，wMn/wS＞25即可防止熱裂紋的產(chǎn)生。但是當(dāng)wC＞0.16％（包晶點(diǎn)）時(shí)，磷的有害作用將超過硫，此時(shí)再增加wMn/wS比值對防止熱裂紋已無意義。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。圖11-55δ相在奧氏體基底上的分布a）單相奧氏體b）δ＋γ奧氏體奧氏體鐵素體液態(tài)薄膜a)b)（二）工藝因素對熱裂紋的影響焊接、鑄造工藝參數(shù)溫度場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（三）防止熱裂紋的措施以上兩類因素中，哪些因素可以進(jìn)行控制呢？總體來看：冶金因素的影響在鑄造熔煉過程中比較容易實(shí)現(xiàn)控制，而在焊接工藝過程中只能通過對焊材與焊接工藝參數(shù)選擇來限制熱裂紋。焊接中拘束度的定義為平板對接接頭單位長度焊縫在根部間隙產(chǎn)生單位長度位移所需要的力。接頭的拘束度與拘束應(yīng)力大小，可近似地用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：δlFFLm是轉(zhuǎn)換系數(shù)，與鋼的線脹系數(shù)、比熱容、接頭坡口形式和焊接方法等因素有關(guān)。由公式可見：剛性大（彈性模量E大或板厚δ大）或拘束距離L小的焊接結(jié)構(gòu)，拘束度與拘束應(yīng)力高，裂紋傾向大。結(jié)晶裂紋傾向試驗(yàn)φ4直徑J422、J507和J427-FeS（自制）焊條各4~6根

200×120×12mm低碳鋼板焊接電流：100A；電弧電壓：24V；焊接速度：150mm/min。焊后約10分鐘將試件從試驗(yàn)裝置中取出。試件冷卻到室溫后，將試件沿焊縫軸向彎斷，觀察斷面上有無裂紋并測量裂紋長度。按右式計(jì)算裂紋率：結(jié)構(gòu)鋼焊條藥皮配方鈦鈣型

1.藥皮組成物用量范圍（％）硅酸鹽25-40

碳酸鹽15-22

二氧化鈦35-45

鈦鐵礦0-25鐵合金10-15

有機(jī)物0-32.熔渣堿度0.55-0.80

低氫型1.藥皮組成物用量范圍（％）硅