《材料成形基本原理》(第3版)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(guò)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。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(wú)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(zhǎng)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。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(zhǎng)，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?cè)鲩L(zhǎng)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?cè)鲩L(zhǎng)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?cè)鲩L(zhǎng)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(guò)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(wú)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(chǎng)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(lái)看：冶金因素的影響在鑄造熔煉過(guò)程中比較容易實(shí)現(xiàn)控制，而在焊接工藝過(guò)程中只能通過(guò)對(duì)焊材與焊接工藝參數(shù)選擇來(lái)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(jiàn)：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。《材料成形基本原理》(第3版)和焊接方法等因素有關(guān)。《材料成形基本原理》(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(wú)裂紋并測(cè)量裂紋長(zhǎng)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