《材料成形基本原理》(3Ed)缺陷形成與控制低熔點(diǎn)共晶應(yīng)力變形縮孔縮松氣泡過飽和析出

滯留

化合物氣孔夾渣熱裂紋冷裂紋非平衡凝固成分偏析降溫凝固

體積

收縮液

態(tài)

金

屬《材料成形基本原理》(第3版)氣體元素雜質(zhì)元素受拘束第一節(jié)

合金中的成分偏析第二節(jié)

氣孔與夾雜第三節(jié)

縮孔與縮松第四節(jié)

應(yīng)力與變形第五節(jié)

熱裂紋第六節(jié)

冷裂紋《材料成形基本原理》(第3版)本章結(jié)束偏析的利弊?

偏析對(duì)合金的力學(xué)性能、抗裂性能及耐腐蝕性能等有程度不同的損害。但利用偏析現(xiàn)象可以凈化或提純金屬等。偏析的分類合金在凝固過程中發(fā)生的化學(xué)

成分不均勻現(xiàn)象稱為偏析偏析是合金在凝固過程中由于溶質(zhì)再分配和擴(kuò)散不充分引起的什么叫偏析?為什么會(huì)出現(xiàn)偏析?第

一

節(jié)合金中的成分偏析《材料成形基本原理》(第3版)一

、微觀偏析二

、宏觀偏析三、焊接熔合區(qū)的化學(xué)成分不均勻《材料成形基本原理》(第3版)一、微觀偏析微觀偏析是指微

小

范

圍

(約一個(gè)晶粒范圍)內(nèi)的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象，按位置不同可分為：晶

內(nèi)

偏

析

(

枝

晶

偏

析

)晶界偏析微觀偏析的影響因素與消除措施《材料成形基本原理》(第3版)產(chǎn)生于具有結(jié)晶溫度范圍、能夠形成固溶體的合金中。固溶體合金按樹枝晶方式生長時(shí)，先結(jié)晶的枝干與后結(jié)晶的分枝也存在著成分差異，又稱為枝晶偏析?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)1、晶內(nèi)偏析晶內(nèi)偏析是在一個(gè)晶

粒

內(nèi)出現(xiàn)的成分不均勻現(xiàn)象，常Ni-25%Cu

合金快凝后的樹枝狀?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)2

、晶

界

偏

析晶界偏析比晶內(nèi)偏析的危害更大，既能降低合金的塑性與高溫性能，又增加熱裂紋傾向。2

ee14/83晶界偏析的網(wǎng)液疑固素違界回煽的片碳確物中球拔晶界析M界與液相的接觸處存在凹槽，溶質(zhì)原子在此處

富集，凝固后就形成了

晶界偏析。晶粒并排生長，晶界平行于晶體生長方向，晶《材料成形基本原理》(第3版)所排出的溶質(zhì)

(k?<1)和其他雜質(zhì)元素在固-液界面前沿富積，在最后凝

固的晶界對(duì)合部位將含有

較多的溶質(zhì)和其他低熔點(diǎn)

物質(zhì)，造成晶界偏析?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)晶粒相對(duì)生長，在對(duì)合處彼此相遇。晶粒結(jié)晶時(shí)《材料成形基本原理》(第3版)微觀偏析的影響因素與消除措施合金液、固相線間隔

(寬)的影響因素

偏析元素的擴(kuò)散能力

(弱)冷卻條件

(快)偏析程度元

素PSBCVTiMoMnNiSiCr元素質(zhì)量

分?jǐn)?shù)/%0.01~0.030.01~0.04.0020.100.3~1.00.5~4.00.2~1.21.0~4.01.0~2.51.0~4.51.0~3.01.0~

8.0偏析系數(shù)

|1—k?

I0.940.900.870.740.620.530.510.860.650.350.34■微觀偏析是一種不平衡狀態(tài)，在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的?？赏ㄟ^擴(kuò)散退火或均勻化退火來消除，即將合金加熱到低于固

相線100～200℃的溫度，進(jìn)行長時(shí)間保溫，使偏析元素進(jìn)行

充分?jǐn)U散，以達(dá)到均勻化?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)《材料成形基本原理》(

第

3

版

)宏

觀

偏

析宏觀偏析是指宏觀尺寸上的偏析，包括：正常偏析逆偏析V

形偏析和逆V

形偏析帶狀偏析與層狀偏析重力偏析

《材料成形基本原理》(第3版)固定加熱器移動(dòng)方向熔化區(qū)

熔化區(qū)Co

平衡凝固

液相只有有限擴(kuò)散液相中部分混合CoKo

液相充分混合均勻凝固開始端距離

凝固末端偏析使鑄件性能不均勻，也難以通過熱處理消除，但可以利用溶質(zhì)的正常偏析現(xiàn)象對(duì)金屬進(jìn)行提純精煉。焊接熔池凝固時(shí)，隨著柱狀晶體的長大和固-液界面的推進(jìn)，會(huì)將溶質(zhì)或雜質(zhì)趕向焊縫中心。當(dāng)焊接速度較

大時(shí)，成長的柱狀晶會(huì)在焊縫中心相遇，在中心形成正偏析。在拉伸應(yīng)力作用下，焊縫極易產(chǎn)生縱向裂紋?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)圖11-6

快速焊時(shí)焊縫的區(qū)域偏析一激冷面5.1591℃600548℃4.7銅的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)500-α+θ4.33001020

30離表面距離粗大的樹枝晶，枝晶相互交錯(cuò)，枝晶間富集著低熔點(diǎn)相，當(dāng)鑄件產(chǎn)生體收縮時(shí)，低熔點(diǎn)相將沿著樹枝晶間向外移動(dòng)。逆偏析的成因在于結(jié)晶溫度范圍寬的固溶體合金，在緩慢凝固時(shí)易形成《材料成形基本原理》

(第3版)Al-4.7Cu

合金鑄件的逆偏析53.552.540

503.9

05.65

33.2頂面700660WCu(%)w(Cu)1%溫

度

{

℃400A

'偏析保

溫

帽

下V*

偏析“

帶

條”負(fù)偏析錐鑄錠的宏觀偏析分布示意圖

當(dāng)鑄錠中央部分在凝固下沉?xí)r，側(cè)面

向斜下方產(chǎn)生拉應(yīng)

力，在其上部形成

逆V形裂縫，并被

富含溶質(zhì)的液相所

填充，最終形成逆

V形偏析帶。《材料成形基本原理》(第3版)層狀偏析圖11-7

焊縫的層狀偏析a)

焊條電弧焊

b)電子束焊《材料成形基本原理》(第3版)帶狀偏析常出現(xiàn)在鑄錠或厚壁鑄件中，有時(shí)是連續(xù)的，有時(shí)則是間斷的，偏析的帶狀總是和液-固界面相平行。帶狀偏析的形成是由于固-液界面前沿液相中存在溶質(zhì)富集層且晶體生長速度發(fā)生變化的緣故。焊縫凝固中的層狀偏析與帶狀偏析機(jī)理相同。o-熔合區(qū)的化學(xué)成分不均勻程度與焊接規(guī)范有關(guān)，大的焊接線能量會(huì)使不均勻程度加劇(見圖中三組數(shù)據(jù)中的下行)《材料成形基本原理》(第3版)三、焊接熔合區(qū)的化學(xué)成分不均勻母材

焊縫0.02560.0250

0.5熔合線0.0450.0520.04硫的濃

度

3人%0.04150.0475增碳層

脫碳層Wc%焊縫金屬

x?

x?

結(jié)構(gòu)鋼母材實(shí)際熔合線

x異種鋼接頭焊材一般采用高韌性的奧氏體焊材，由于焊縫富含碳化物形成

元素，故碳在其內(nèi)的活度遠(yuǎn)低于碳鋼母材，在焊后加熱過程中，固溶在碳鋼

HAZ

中的碳易向焊縫中擴(kuò)散，在熔合線兩側(cè)分別形成增碳區(qū)和脫碳區(qū)?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)《材料成形基本原理》(第3版)第二節(jié)氣孔與夾雜

氣孔是鑄件或焊件最常見的缺陷之一。氣孔的存

在不僅減小金屬的有效承載面積，而且使局部造成

應(yīng)力集中，成為零件斷裂的裂紋源。

一些形狀不規(guī)則的氣孔，則會(huì)增加缺口的敏感性，使金屬的強(qiáng)度

下降和抗疲勞能力降低。一

、氣孔的分類及形成機(jī)理二

、夾雜物的形成及防止措施《材料成形基本原理》(第3版)析出性氣孔侵入性氣孔反應(yīng)性氣孔一、氣孔的分類及形成機(jī)理《材料成形基本原理》(第3版)1

、析出性氣孔液態(tài)金屬在冷卻凝固過程中，因氣體溶解度下降，

析出的氣體來不及逸出而產(chǎn)生的氣孔稱為析出性氣孔

。這類氣孔主要是氫氣孔和氮?dú)饪住Ｈ芙庠谝簯B(tài)金屬中的氣體元素在凝固時(shí)也會(huì)出現(xiàn)偏析。一般最后凝固部位的枝晶間氣體濃度遠(yuǎn)高于平均濃度，且由于此時(shí)液態(tài)金屬中雜質(zhì)元素的濃度也很高，便為析出性氣體的形核創(chuàng)造了有利條件?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)氣泡的半徑越小，或液態(tài)金屬的密度越小、粘度越大，氣泡上浮速度越小。若氣泡上浮速度小于結(jié)晶

速度，氣泡就會(huì)滯留在凝固金屬中形成氣孔。氣泡a)Pm、PB

分別為金屬與氣泡的密度；H為金屬粘度。溶

中氣體式

有

：《材料成形基本原理》(第3版)氣泡上浮速度的斯托

克斯公式：氣體的析出過程r

為氣泡半徑；

寸：氣泡析出性氣孔的特征析出性氣孔通常分布在鑄件的整個(gè)斷面或冒口、熱節(jié)等溫度較高的區(qū)域。當(dāng)金屬含氣量較少時(shí)，呈裂紋多角形狀；縫表面上看呈喇叭口形，氣孔四周有光滑的內(nèi)壁。氮?dú)饪滓?/p>

般成堆出現(xiàn)，形似蜂窩。■焊縫金屬產(chǎn)生的析出性氣孔多數(shù)出現(xiàn)在焊縫表面。氫氣孔

的斷面形狀如同螺釘狀，從焊而含氣量較多時(shí)，氣孔較大，呈團(tuán)球形?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)《材料成形基本原理》(第3版)2、侵入性氣孔將液態(tài)金屬澆入砂型時(shí)，砂型或砂芯在金屬液的高溫作用下會(huì)產(chǎn)生大量氣體，隨著溫度的升高和氣體量的增加，金屬-鑄型界面處氣體的壓力不斷增大。當(dāng)界面上局部氣體的壓力高于外界阻力時(shí)，氣體就會(huì)侵入液態(tài)金屬，在型壁上形成氣泡。氣泡形

成后將脫離型壁，浮入型腔液態(tài)金屬中。當(dāng)氣泡來

不及上浮逸出時(shí)

，就會(huì)在金屬中形成侵入性氣孔。侵入性氣孔的特征侵入性氣孔的特征是數(shù)量較少、體積較大、孔壁光滑、表面有氧化色，常出現(xiàn)在鑄件表層或近表

層。形狀多呈梨形、橢圓形或圓形，

梨尖一般指向

氣體侵入的方向。侵入的氣體一般是水蒸氣、

一氧化碳、二氧化碳、氫、氮和碳?xì)浠衔锏取！恫牧铣尚位驹怼?第3版)《材料成形基本原理》(第3版)3、反應(yīng)性氣孔液態(tài)金屬內(nèi)部或與鑄型之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的反應(yīng)性氣孔：金屬與鑄型間的反應(yīng)性氣孔金屬與熔渣間的反應(yīng)性氣孔液態(tài)金屬內(nèi)元素間的反應(yīng)性氣孔金屬與鑄型間的反應(yīng)性氣孔金屬-鑄型間反應(yīng)性氣孔常分布在鑄件表面皮下1～3mm

處，通稱為皮下氣孔，其形狀有球狀

和梨狀，孔徑約1～3mm

。有些皮下氣孔呈細(xì)長狀，垂直于鑄件表面，深度可達(dá)10mm

左右?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)金屬與熔渣間的反應(yīng)性氣孔當(dāng)液態(tài)金屬中含有混入的熔渣

(

FeO)時(shí)，會(huì)和液態(tài)金屬(或鑄型)中的

C

反應(yīng)：CaO

與

FeO殘?jiān)杂址Q為渣氣孔。CaCO?→CaO+CO?↑CO?+Fe→FeO+CO

↑熔渣作為氣孔形核的基底，最終形成的氣孔內(nèi)含有白色的(FeO)+[c]→Fe+CO

↑當(dāng)采用石灰石砂型時(shí)，若有砂粒進(jìn)入鋼液會(huì)發(fā)生：《材料成形基本原理》(第3版)液態(tài)金屬內(nèi)元素間的反應(yīng)性氣孔(1

)碳一氧反應(yīng)性氣孔(2)氫-氧反應(yīng)性氣孔(3)碳-氫反應(yīng)性氣孔鑄件最后凝固的液相中，含有較高濃度的

[H]和[C]

時(shí)，將生成甲烷

(CH?)

氣孔?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)二

、夾雜物的形成及防止措施夾雜物的來源及分類鑄件中的夾雜物焊縫中的夾雜物《材料成形基本原理》(第3版)爐料中的雜質(zhì)焊材、母材中的雜質(zhì)熔煉過程反應(yīng)產(chǎn)物與周圍介質(zhì)(氣、固、液態(tài))間的反應(yīng)產(chǎn)物自身雜質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)物1、夾雜物的來源及分類《材料成形基本原理》(第3版)主要

來源按夾雜物化學(xué)成分按夾雜物形成時(shí)間按夾雜物形狀氧化物硫化物硅酸鹽初生夾雜物次生夾雜物二次氧化夾雜物球形多面體不規(guī)則多角形

條狀《材料成形基本原理》(第3版)夾雜物的分類《材料成形基本原理》(第3版)夾雜物對(duì)金屬性能的影響夾雜物破壞了金屬的連續(xù)性，使強(qiáng)度和塑性下降；尖角形夾雜物易引起應(yīng)力集中，顯著降低沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度

；易熔夾雜物分布于晶界，不僅降低強(qiáng)度且能引起熱裂；促進(jìn)氣孔的形成，既能吸附氣體，又促使氣泡形核；在某些情況下，也可利用夾雜物改善金屬的某些性能，如提高材料的硬度、增加耐磨性以及細(xì)化金屬組織等。2、

鑄件中的夾雜物初生夾雜物二次氧化夾雜物次生夾雜物《材料成形基本原理》(第3版)初生夾雜物在金屬熔煉過程中及爐前處理時(shí)形成，經(jīng)歷偏晶析出和聚合長大兩個(gè)階段。(2)夾雜物的聚合長大夾雜物從液相中析出時(shí)尺寸很小(僅有幾個(gè)微米),數(shù)量卻很多(數(shù)量級(jí)可達(dá)108個(gè)/cm3)。

由于對(duì)流或密度差上浮或下沉，發(fā)生高頻率的碰撞和機(jī)械粘連。夾雜物粗化后運(yùn)動(dòng)速度加快，以更高的速度與其他夾雜物碰撞、聚合長大。

熔點(diǎn)較低的夾雜物會(huì)重新熔化，尺寸大、密度小的夾雜物則會(huì)浮到液態(tài)金屬表面。

《材料成形基本原理》

(第3版)二次氧化夾雜物液態(tài)金屬與大氣或氧化性氣體接觸時(shí)，會(huì)很快氧化形成氧化薄膜。在澆注及充型過程中，表面氧化膜會(huì)被卷入液態(tài)金屬內(nèi)部，而此時(shí)液體的溫度

下降較快，卷入的氧化物在凝固前來不及上浮到表面，便在金屬中形成二次氧化夾雜物。這類夾雜物常出現(xiàn)在鑄件上表面、型芯下表面或死角處?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)次生夾雜物次生夾雜物是指合

金

凝

固

過

程

中，由于偏析，

溶質(zhì)元素及雜質(zhì)元素將富集于枝晶間尚未凝固的液相內(nèi)，處于過飽和狀態(tài)而發(fā)生偏晶反應(yīng)：L?→β+L?,析出非金屬夾雜物β。由于夾雜物是從偏析液相中產(chǎn)生的，因此又稱為偏析夾雜物?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)《材料成形基本原理》(第3版)3、焊縫中的夾雜物焊縫中的氮化物夾雜多在焊接保護(hù)不良時(shí)出現(xiàn)，對(duì)于低碳鋼和低合金鋼，主要的氮化物是Fe?N,在時(shí)效過程中過飽和析出，并以針狀分布在晶粒上或貫穿晶界。焊縫中的硫化物夾雜主要有MnS

和FeS

兩種。

FeS

通常沿

晶界析出，并與Fe

或FeO

形成低熔點(diǎn)共晶。低碳鋼焊縫存在的氧化物夾雜主要是SiO

?

、MnO

、TiO?和Al?O

?等，一般以硅酸鹽的形式存在?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)防止焊縫產(chǎn)生夾雜物的措施正確地選擇原材料(包括母材和焊接材料),母材、

焊絲中的夾雜物應(yīng)盡量少，焊條、焊劑應(yīng)具有良好的脫氧、脫硫效果；注意工藝操作，如選擇合適的工藝參數(shù)；適當(dāng)擺動(dòng)焊條以便于熔渣浮出；加強(qiáng)熔池保護(hù)，防止空氣侵入；多層焊時(shí)清除前一道焊縫的熔渣等。600

10001400

180022002600T/℃氮、氫在鐵中的溶解度與溫度的關(guān)系T/℃氫在不同金屬中的溶解度《材料成形基本原理》(第3版)Sf/mL.(100g)30-20-10SSH/mL

·(100g)-4050廠圖3用自動(dòng)焊接方法使用INCONEL52填充金屬在

INCONELQ690

合金上進(jìn)行焊接時(shí)所產(chǎn)生的“氧化性浮渣”《材料成形基本原理》(第3版)第三節(jié)縮孔與縮松一

、金屬的收縮二

、

縮孔與縮松的分類及特征三

、縮孔與縮松的形成機(jī)理四

、影響縮孔與縮松的因素及防止措施《材料成形基本原理》(第3版)、金屬的收縮液態(tài)收縮階段三個(gè)階段凝固收縮階段固態(tài)收縮階段《材料成形基本原理》(第3版)成分1%

體收縮率1%

體收縮率/%a)合金相圖b)有一定結(jié)晶溫度范圍的合金

c)恒溫凝固的合金圖13-14

二元合金收縮過程示意圖αV

固(

Ts-T?)×100%凝固收縮固相收縮I

II

m溫度/℃T澆液態(tài)收縮凝固收縮《材料成形基本原理》(第3版)v

總=

&

v

液

+&v

凝

+

&v

固其中，液態(tài)收縮和凝固收縮是鑄件產(chǎn)生縮

孔和

縮

松的基本原因。而固相收縮對(duì)應(yīng)力、變形金屬從澆注溫度冷卻到室溫所產(chǎn)生的體收縮為液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮之和，即：《材料成形基本原理》(第3版)與裂紋影響較大。二、

縮孔與縮松的分類及特征縮孔縮松《材料成形基本原理》(第3版)Qa)

明縮孔

b)

凹角縮孔

c)

芯面縮孔

d)

內(nèi)部縮孔《材料成形基本原理》(第3版)縮

孔

特

點(diǎn)常出現(xiàn)于純金屬、共晶成分合金和結(jié)晶溫度范圍較窄的以層狀凝固方式凝固的鑄造合金中；多集中在鑄件的上部和最后凝固的部位；鑄件厚壁處、兩壁相交處及內(nèi)澆口附近等凝固較晚或凝固緩慢的部位(稱為熱節(jié)),也常出現(xiàn)縮孔；縮孔尺寸較大，形狀不規(guī)則，表面不光滑?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)縮

松

的

特

點(diǎn)縮松多出現(xiàn)于結(jié)晶溫度范圍較寬的合金中；顯微縮松一般出現(xiàn)在枝晶間和分枝之間；常分布在縮孔附近或鑄件厚壁的中心部位；《材料成形基本原理》(第3版)An《材料成形基本原理》(第3版)體積凝固

層狀凝固Bm

《材料成形基本原理》(第3版)

縮松

縮孔GGTLTsTL《材料成形基本原理》(第3版)鑄件熱節(jié)處的縮孔與縮松《材料成形基本原理》(第3版)三

、

縮孔與縮松的形成機(jī)理縮孔的形成縮松的形成《材料成形基本原理》(第3版)縮孔的形成機(jī)理純金屬、共晶成分合金和結(jié)晶溫度范圍窄的合金，在一般鑄造條件下按由表及里逐

層

凝

固的方式凝固。由于金屬或合金在冷卻過程中發(fā)生的液態(tài)收縮和凝固收縮大于固態(tài)收縮，從而在鑄件最后凝固部位形成尺寸較大的集中縮孔。《材料成形基本原理》(第3版)鑄件中縮孔形成過程示意圖《材料成形基本原理》

(第3版)鑄件中縮孔的形成過程《材料成形基本原理》(第3版)縮松的形成機(jī)理結(jié)晶溫度范圍較寬的合金，一般按照體積凝固的方式凝固，

凝固區(qū)內(nèi)的小晶體很容易發(fā)展成為發(fā)達(dá)的樹枝晶。當(dāng)固相達(dá)到一定數(shù)量形成晶體骨架時(shí)，尚未凝固的液態(tài)金屬便被分割成一個(gè)個(gè)互不相通的小熔池。在隨后的冷卻過程中，小熔池內(nèi)的液體將發(fā)生液態(tài)收縮和凝固收縮，已凝固的金屬則發(fā)生固態(tài)收縮。由于熔池金屬的液態(tài)收縮和凝固收縮之和大于其固態(tài)收縮，兩者之差引起的細(xì)小孔洞又得不到外部液體的補(bǔ)充，便在相應(yīng)部位

形成了分散性的細(xì)小縮孔，即縮松。(

一

)影響縮孔與縮松的因素(二)縮孔和縮松發(fā)生位置的預(yù)測(三)防止鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松的途徑《材料成形基本原理》(第3版)四

、影響縮孔與縮松的因素及防止措施金屬的性質(zhì)鑄型的冷卻能力澆注溫度與澆注速度鑄件尺寸補(bǔ)縮能力(收縮系數(shù)α大)(蓄熱系數(shù)b小

)

(高，快)(大)(弱)(一)影響縮孔與縮松的因素例：鑄鐵的縮孔、縮松傾向《材料成形基本原理》(第3版)《材料成形基本原理》(第3版)(二)防止鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松的途徑順序凝固鑄件各部位由遠(yuǎn)及近，朝著帽口方向順序凝固。用于凝固收縮大、結(jié)晶間隔窄的金屬。同時(shí)凝固凝固時(shí)產(chǎn)生熱裂紋、變形傾向小。用于凝固收縮小、對(duì)氣密性要求不高的鑄件。使用冒口、補(bǔ)貼和冷鐵數(shù)值模擬方法

最大內(nèi)切圓法輪轂?zāi)踢^程的數(shù)值模擬

縮孔和縮松發(fā)生位置的預(yù)測1500℃41490℃41475℃φ280φ270φ335(最大節(jié)圓)《材料成形基本原理》(第3版)φ160φ2601450℃順序凝固方式示意圖《材料成形基本原理》(第3版)溫度

縱向溫度分布曲線冷鐵I

Ⅱ

I《材料成形基本原理》

(第3版)同時(shí)凝固方式示意圖內(nèi)澆道距離碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

wc/%2.02.53.03.54.0凝固收縮率ε

V凝

0

0白口鑄鐵5.14.64.23.73.3灰鑄鐵4.32.81.4-0.1-1.5《材料成形基本原理》(第3版)表13-2

亞共晶鑄鐵的液態(tài)收縮率EV液15灰鑄鐵的縮前膨脹具有自補(bǔ)縮作用，縮孔與縮松的傾向較小。6灰鑄鐵30200

400600800100012001400溫度

T/℃鑄

鐵的

收

縮

過

程曲

線《材料成形基本原理》(第3版)白口鑄銖體

收

縮

率

×10

0

%129a)

片狀石墨長大膨脹力液體液體奧氏體石墨b)

球狀石墨長大灰鑄鐵和球墨鑄鐵共晶石墨長大示意圖《材料成形基本原理》(第3版)液體孔隙液體完全冷卻后瞬時(shí)應(yīng)力

殘余應(yīng)力與應(yīng)變

與變形受拘束加熱與冷卻第四節(jié)應(yīng)力與應(yīng)變《材料成形基本原理》(第3版)一

、

應(yīng)

力(

一

)

應(yīng)

力

的

形

成(二)熱應(yīng)力的產(chǎn)生與分布(

三

)

控

制

應(yīng)

力

的

措

施《材料成形基本原理》(第3版)受阻固態(tài)相變

相變應(yīng)力(伴隨比容變化)(自身拘束)(外部拘束)熱應(yīng)力機(jī)械阻礙應(yīng)力(

一)應(yīng)力的形成《材料成形基本原理》(第3版)熱膨脹或收縮溫度變化受阻(二)熱應(yīng)力的產(chǎn)生與分布例1、鑄件內(nèi)的應(yīng)力例

2

、金屬框架的局部加熱與冷卻例3、平板中心堆焊接頭的應(yīng)力例4、異種鋼管對(duì)接《材料成形基本原理》(第3版)冷卻到更低溫度，已被壓短的粗桿也處于彈性狀態(tài)，此時(shí)，盡管兩桿長度相同，但所處的溫度不同。粗桿的溫度

較高，還會(huì)進(jìn)行較大的收縮；細(xì)桿的溫度較低，收縮較小，

粗桿的收縮受到細(xì)桿的阻礙，故細(xì)桿受壓縮，粗桿受拉伸，T?

之前

T

1～T2期間

T?

之后框形鑄件中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析《材料成形基本原理》(第3版)2、

分析下列鑄件內(nèi)的縱向殘余應(yīng)力：中心近軸線部位受拉外部近圓周部位受壓《材料成形基本原理》(第3版)但實(shí)際上，框架兩側(cè)的桿件阻礙著中心桿件的收縮，從

而使中心桿件受到拉應(yīng)力的

作用，而兩側(cè)桿件受到壓應(yīng)

力的作用。這樣在冷卻后的

框架中就形成了與加熱過程例2、金屬框架的局部加熱與冷卻《材料成形基本原理》(第3版)相反的殘余應(yīng)力場。金屬框架冷卻后的殘余應(yīng)力加熱過程中的焊接縱向應(yīng)力mn《材料成形基本原理》(第3版3↓(a)

對(duì)接焊縫

(b)

沿yy軸方向，分布(c)

沿xx軸的。,分布對(duì)接焊縫殘余應(yīng)力的典型分布冷卻過程中初始位置

初始位置Ao初始位置

初始位置Ao加熱過程中原始位置

原始位置Ao《材料成形基本原理》(第3版)珠光體耐熱鋼與奧氏體不銹鋼鋼管的對(duì)接焊，采用鎳基焊絲鎢極氬弧焊。用Ansys

有限元計(jì)算軟件，模擬出焊接溫度場、應(yīng)力場的動(dòng)態(tài)變化：《材料成形基本原理》(第3版)例4、異種鋼管對(duì)接焊動(dòng)態(tài)焊接溫度場動(dòng)態(tài)周向應(yīng)力(三)控制應(yīng)力的措施1.

合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)2.

合理選擇工藝

3.

消應(yīng)力處理《材料成形基本原理》(第3版)接而避免搭接；在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，盡量減少不必要的焊縫；采用剛度小的結(jié)構(gòu)代替剛度大的結(jié)構(gòu)等(示例)

。在鑄造結(jié)構(gòu)中，鑄件的壁厚差要盡量?。缓癖”谶B接處要圓滑過渡；鑄件厚壁部分的砂層要減薄，或放置冷鐵；合理設(shè)置澆冒口，盡量使鑄件各部分溫度均勻。《材料成形基本原理》(第3版)1.

合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在焊接結(jié)構(gòu)中，應(yīng)避免焊縫交叉和密集，盡量采用對(duì)提高鑄型的預(yù)熱溫度可減小鑄件各部分的溫差；采用較細(xì)的面砂和涂料，減小鑄件表面的摩擦力；控制鑄型和

型芯的緊實(shí)度，加木屑、焦炭等提高鑄型和型芯的退讓性；控制鑄件在型內(nèi)的冷卻時(shí)間，避免過早或過遲打箱。2.

合理選擇工藝澆注鑄件時(shí)，應(yīng)選擇彈性模量和收縮系數(shù)小的材料；《材料成形基本原理》(第3版)(3)

振動(dòng)法

以振動(dòng)的形式給工件施加附加應(yīng)力，當(dāng)附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加后，達(dá)到或超過材料的屈服極限時(shí)，

工件發(fā)生微觀塑性變形，從而降低和均化工件內(nèi)的殘余應(yīng)

力。(4)

局部加壓法

焊后利用外力(錘擊、碾壓或爆炸

力)對(duì)焊縫及鄰近部位施加壓力，使之得到延展，以補(bǔ)

償或抵消焊接時(shí)所產(chǎn)生的壓縮塑性變形，降低焊接殘余3.

消應(yīng)力處理《材料成形基本原理》(第3版)應(yīng)

力

。《材料成形基本原理》(第3版)二、變形(

一

)焊接變形的種類(二)控制變形的措施《材料成形基本原理》(第3版)(一)焊接變形的種類板材對(duì)接焊件的變形(1)中、厚板的縱向與橫向收縮變形(2)

薄板的波浪失穩(wěn)變形

焊接工字梁的扭曲變形焊接梁的彎曲變形、

T

型梁的角變形《材料成形基本原理》(第3版)《材料成形基本原理》(第3版)焊縫山

山

業(yè)工字鋼焊接梁的彎曲變形T型梁的角變形《材料成形基本原理》(第3版)原始位置I

原始位置原始位置!原始位置《材料成形基本原理》(第3版)l

1《材料成形基本原理》(第3版)1.

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面合理地選擇焊縫的尺寸和形式2

.工藝方面(

1

)

反

變

形

法(2)剛性固定法(3)采用合理的工藝(4)焊接變形的矯正《材料成形基本原理》(第3版)(二)控制變形的措施a)

b)

c)圖11-36箱形梁的不同接頭形式《材料成形基本原理》(第3版)《材料成形基本原理》(第3版)a)b)

c)圖11-37

箱形梁的焊縫布置a)

b)圖11-38

帶輪鑄件輪緣的變形和加厚示意圖

《材料成形基本原理》(第3版)《材料成形基本原理》(第3版)a)b)

c)圖11-42剛性固定法減小焊接變形a)焊接法蘭盤

b)對(duì)接縫旁加壓鐵

c)對(duì)接縫上加馬板《材料成形基本原理》(第3版)《材料成形基本原理》(第3版)《材料成形基本原理》(第3版)圖7—32用千斤頂來矯正梁的彎曲變形《材料成形基本原理》(第3版)上拱加熱區(qū)加熱區(qū)旁彎圖11-45火焰矯正焊接變形示意圖《材料成形基本原理》(第3版)裂紋剛性小

裂紋圓

角

裂紋加蓋板a)

b)

裂紋圖7-37

幾種設(shè)計(jì)方案正誤比較a)

推薦的設(shè)計(jì)方案b)力求避免的設(shè)計(jì)方案《材料成形基本原理》

(第3版)a)b)圖4-17

焊縫布置與應(yīng)力集中的關(guān)系《材料成形基本原理》(第3版)《材料成形基本原理》(第3版)第五節(jié)

熱裂紋在應(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。《材料成形基本原理》(第3版)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《材料成形基本原理》(第3版)凝固裂紋液化裂紋高溫失延裂紋一、熱裂紋的分類及特征《材料成形基本原理》(第3版)《材料成形基本原理》(第3版)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。2-《材料成形基本原理》(第3版)《材料成形基本原理》(第3版)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。空穴開裂理論認(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。二、熱裂紋的形成機(jī)理凝固收縮

應(yīng)力與應(yīng)變低熔點(diǎn)共晶

液態(tài)薄膜《材料成形基本原理》(第3版)液固狀態(tài)

固液狀態(tài)液態(tài)金屬

凝固結(jié)晶脆性溫

度區(qū)間凝固裂紋偏析拘束TLTHTBTs

Ts'6=Φ(D裂紋《材料成形基本原理》

(第3版)T/℃δδ=Φ(D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。2工

ε=f(TTB內(nèi)的應(yīng)變增長率oe18T

越大，越容易產(chǎn)生裂紋。

線2所對(duì)應(yīng)的dc/8T

為臨界應(yīng)變增長率，用

“CST”

表示。CST

越大，材料對(duì)熱裂紋敏感性越小。TB一脆性溫度區(qū)

TH-TB

上限

Ts'一TB下限T/℃TLTHδmTB內(nèi)金屬的塑性δmin越低，產(chǎn)生熱裂紋的傾向越大?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)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)《材料成形基本原理》(第3版)(一)影響熱裂紋傾向的冶金因素凝固溫度區(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《材料成形基本原理》(第3版)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0./01.

凝固溫度區(qū)的影響《材料成形基本原理》(第3版)溫

度

/℃裂

紋

傾

向

/%a)

b)c)

d)圖13-53二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)完全不固溶虛線一凝固裂紋傾向的

變

化

《材料成形基本原理》

(第3版)《材料成形基本原理》(第3版)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(duì)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,FeS(S31)988Fe-PFe,Fe?P(P10.5)Fe?P,FeP(P27)10501260Fe-SiFe?Si,FeSi(Si20.5)1200Fe-SnFe,FeSn(Fe?Sn?

,FeSn)(Sn48.9)1120Fe-TiFe,TiFe?(Ti16)1340Ni-SNi,Ni?S?(S21.5)645Ni-PNi,Ni?P(P11)Ni?P,Ni?P(P20)8801106Ni-BNi,Ni?B(B4)Ni?B?

,NiB(B12)1140990Ni-AlγNi,Ni?AI(Ni89)1385Ni-ZrZr,Zr?Ni(Ni17)961Ni-MgNi,Ni?Mg(Ni11)1095《材料成形基本原理》(第3版)■

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?/p>

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(duì)防止熱裂紋已《材料成形基本原理》(第3版)圖11-54

Fe-C

相圖的高溫部分無意義

。T/

℃溫度《材料成形基本原理》(第3版)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(duì)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。奧氏體

液態(tài)薄膜

奧氏體

鐵素體a)

b)圖13-55

δ相在奧氏體基底上的分布a)單相奧氏體

b)δ+y《材料成形基本原理》(第3版)凝固組織形態(tài)

與偏析程度凝固裂紋焊接、鑄造

工藝參數(shù)結(jié)構(gòu)形式與

拘束程度溫度場分布及變化結(jié)晶應(yīng)力

與應(yīng)變(二)工藝因素對(duì)熱裂紋的影響《材料成形基本原理》(第3版)(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(duì)焊材與焊接工藝參數(shù)選擇來限制熱裂紋?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)R=Eσ=m·Rm是轉(zhuǎn)換系數(shù)，與鋼的線脹系數(shù)、比熱容、接頭坡口形式由公式可見：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?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)和焊接方法等因素有關(guān)?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)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：

24

V;焊接速度：

150

mm/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：實(shí)驗(yàn)焊縫40

4040200《材料成形基本原理》(第3版)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(%)硅酸鹽

<12碳酸鹽

25-55二氧化鈦

0-5氟化物

15-30鐵合金

15-252.熔渣堿度

1.6-2.2

結(jié)構(gòu)鋼焊條藥皮配方《材料成形基本原理》(第3版)liquidα+liquidα+θweight

%copper

60%熱處理強(qiáng)化鋁合金焊縫中的結(jié)晶裂紋《材料成形基本原理》(第3版)temperature第六節(jié)冷裂紋冷裂紋是指金屬經(jīng)焊接或鑄造成形后冷卻到較低溫度時(shí)產(chǎn)生的裂紋。這類裂紋是中碳鋼、高碳鋼、低合金高強(qiáng)鋼、工具鋼、鈦合金

及鑄鐵等材料成形加工時(shí)或使用過程中極易出現(xiàn)

的一類工藝缺陷，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全使用破壞極大?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)一

、冷裂紋的分類及特征二

、冷裂紋的影響因素三

、延遲裂紋的形成機(jī)理四

、冷裂紋的控制《材料成形基本原理》(第3版)一、冷裂紋的分類及特征按裂紋形成原因，冷裂紋可分為以下三類：延遲裂紋淬硬脆化裂紋低塑性脆化裂紋按加工方法分類，可分為：鑄造冷裂紋焊接冷裂紋《材料成形基本原理》(第3版)延遲裂紋(氫致裂紋)在

氫、鋼材淬硬組織

和

拘束應(yīng)力

共同作用下產(chǎn)生。形成溫度在

Ms以下

200℃

至

室溫范圍。具有明顯的延

遲

特

征(故又稱為氫致裂紋)。裂紋的產(chǎn)生存在著潛伏期(幾小時(shí)、幾天甚至更長)、緩慢擴(kuò)展期和突然開裂三個(gè)連續(xù)過程。由于能量的釋放，?？陕牭捷^清晰的開裂聲音(可用聲發(fā)射儀來監(jiān)測)。常發(fā)生在剛性較大的低碳鋼、低合金鋼的焊接結(jié)構(gòu)中?！恫牧铣尚位驹怼?/p>

(第3版)淬硬脆化裂紋某些淬硬傾向大的鋼種，熱加工后冷卻到M至室溫時(shí)，

因發(fā)生馬氏體相變而脆化，在拘束應(yīng)力作用下即可產(chǎn)生開裂。這種裂紋又稱為淬火裂工具鋼的焊件中。

紋，其產(chǎn)生與氫的關(guān)系不大，

基本無延遲現(xiàn)象，成形加工后常立即出現(xiàn)。這類裂紋常出現(xiàn)在具有

強(qiáng)烈淬硬傾向的高(中)碳鋼、高強(qiáng)度合金鋼、《材料成形基本原理》(第3版)低塑性脆化裂紋它是某些低

塑

性

材

料冷卻到較低溫度時(shí)，由于體積收縮所引起的應(yīng)變超過了材料本身所具有的塑性儲(chǔ)備量時(shí)所產(chǎn)生的裂紋。這種裂紋通常也

無延遲現(xiàn)象，常發(fā)生在鑄鐵或硬質(zhì)合金構(gòu)件的成

形加工中。如灰口鑄鐵在400℃以下基本無塑性，焊接裂紋傾向很大?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)《材料成形基本原理》(第3版)鑄造冷裂紋是鑄件凝固后冷卻到彈性狀態(tài)時(shí)，因局

部鑄造應(yīng)力大于材料強(qiáng)度極限而引起的開裂。這類裂紋總是發(fā)生在冷卻過程中承受較高拉應(yīng)力的部位，特別是

應(yīng)力集中部位。壁厚不均勻、形狀復(fù)雜的大型鑄件容易產(chǎn)

生冷裂紋。鑄件尖角部位的裂紋《材料成形基本原理》(第3版)起裂部位特點(diǎn)：是應(yīng)力集中部位；存在粗大的馬氏體組織；氫含量高。圖11-60

焊接冷裂紋分布形態(tài)1一焊道下裂紋

2一焊根裂紋

3一焊趾裂紋32《材料成形基本原理》(第3版)二、冷裂紋的影響因素高強(qiáng)度鋼接頭產(chǎn)生冷裂紋的主要因素是：(

一

)接頭中擴(kuò)散氫的含量與分布(

二

)

鋼

材

的

淬

硬

傾

向(三)接頭中的拘束應(yīng)力狀態(tài)《材料成形基本原理》(第3版)實(shí)際低合金高強(qiáng)鋼接頭中產(chǎn)生的冷裂紋是上述三大因素綜合作用的結(jié)果，但有時(shí)可能只是其中一個(gè)或二個(gè)因素起主要作用，其余的起輔助作用。式中，PwP?是冷裂紋敏感指數(shù)；

[H]

是熔敷金屬擴(kuò)散氫含量；R

是拘束度；δ是工件厚度

(mm);Pcm

是鋼材的碳當(dāng)量。

三大影響因素的作用可歸納成經(jīng)驗(yàn)公式來評(píng)價(jià)冷裂紋敏感性。其中最常用的關(guān)系式為：[H]Pc=Pcm+60600十《材料成形基本原理》(第3版)(一)接頭中擴(kuò)散氫的含量與分布焊接冷卻過程中，當(dāng)溫度足夠高時(shí)，[H]R能很快從金屬內(nèi)部擴(kuò)散逸出，不會(huì)引起裂紋；當(dāng)溫度很低時(shí)，氫的

擴(kuò)散將受到抑制，也不會(huì)導(dǎo)致開裂。只有在一定溫度范圍

(-

100～100℃)

時(shí)，

[H]R

才會(huì)起致裂作用，這

一溫度范圍稱為延遲裂紋的敏感溫度區(qū)間。[H]R

在接頭中的含量與焊接工藝過程有關(guān)?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)[H]R

在接頭中的分布狀況取決于氫在接頭中的擴(kuò)散行為，后者服從以下規(guī)律：“濃度擴(kuò)散”

焊接熱影響區(qū)“相變誘導(dǎo)擴(kuò)散”

焊道下過熱粗晶區(qū)“應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散”

焊趾與焊根部位可見接頭中的