耐热镁合金的研究现状及进展

裂纹0教学内容：热裂纹的特征，热裂纹的形成机理，热裂纹的影响因素，热裂纹的防止措施。教学要求：1.掌握热裂纹的特征；2.理解热裂纹形成的强度理论、形成理论，掌握热裂纹的液膜理论；3.掌握铸造合金性质对热裂纹形成的影响，理解铸型性质、浇注条件、铸件结构对热裂纹形成的影响；4.理解防止铸件产生热裂的途径。重点：热裂纹的特征及形成机理；铸造合金性质对热裂形成的影响；铸件热裂的防止措施。难点：热裂纹形成机理。1第三节热裂纹一、热裂纹的分类

裂纹：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，可能会出现各种各样的裂纹，如热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹等。热裂纹：金属冷却到固相线附近的高温区时所产生的开裂现象，微观上具有沿晶开裂特征。2热裂纹的形式：凝固裂纹、液化裂纹和高温失延裂纹等，其中最常见的是凝固裂纹。（1）凝固裂纹；（2）液化裂纹；（3）高温失延裂纹铸件的外裂纹常产生于局部凝固缓慢、容易产生应力集中的部位；而内裂纹一般发生在铸件最后凝固的部位，有时出现在缩孔下方。3

铸件特殊位置的裂纹示意图裂纹的常见部位：4二、热裂纹形成的条件及其特征1、形成条件

①高温阶段晶间的延性和塑性形变能力δmin不足以承受当时应力所产生的应变量ε

ε≥δmin②处在脆性温度区Ⅰ区与液膜有关---出现在凝固末期Ⅱ区与液膜无关---出现在温度位于奥氏体在结晶温度TR附近

52、特征（1）与液膜有关的热裂纹凝固时晶间残存液膜所造成的裂纹---凝固裂纹焊接时由于过热晶间出现液化现象---液化裂纹

特征：沿晶液膜分离的断口晶界面很圆滑有氧化色62）与液膜无关的热裂纹再结晶所造成的裂纹---高温延迟裂纹位错运动而形成多边化边界以致开裂---多边化裂纹

特征：显示柱状晶明显的方向性断口粗糙宏观可见的热裂纹，其断口均具有较明显的氧化色彩，可作为初步判断其是否为热裂纹的判据。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。7（一）凝固裂纹的形成机理

三、热裂纹的形成机理

金属在凝固过程中要经历液-固状态和固-液状态两个阶段8在温度较高的液-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位移，其形状基本不变。随着温度的降低，晶体不断增多且不断长大。9进入固-液阶段后，多数液态金属已凝固成晶体，此时塑性变形的基本特点是晶体间的相互移动，晶体本身也会发生一些变形。当晶体交替长合构成枝晶骨架时，残留的少量液体尤其是低熔共晶，便以薄膜形式存在于晶体之间，且难以自由流动。由于液态薄膜抗变形阻力小，形变将集中于液膜所在的晶间，使之成为薄弱环节。此时若存在足够大的拉伸应力，则在晶体发生塑性变形之前，液膜所在晶界就会优先开裂，最终形成凝固裂纹。10凝固期间固液态受切应力下的形变四个晶粒可以自由流动液相流到中间长合形变集中形成薄弱环节11脆性转变区：上限为枝晶开始交织长合的温度TH下限为液膜完全消失的实际固相线T’S脆性温度区：固液阶段是发生凝固裂纹的敏感阶段，该阶段所对应的温度区间称为脆性温度区。此区内金属的塑性极低，很容易产生裂纹。但裂纹是否能够产生，还要看脆性温度区内应变的发展情况12当∂ε/∂T较低，ε随温度按曲线1变化时，ε＜δmin，不会产生裂纹当∂ε/∂T为曲线2时ε≈δmin，处于临界状态；当∂ε/∂T为曲线3时，ε＞δmin，即拉伸应力产生的应变量超过了金属在TB内的最低塑性，此时必定产生热裂纹13在TB和δmin一定时，刚刚产生热裂纹的应变增长率称为临界应变增长率，以CST表示CST主要与材料的性质有关，反映材料对热裂纹的敏感性。CST越大，材料对热裂纹敏感性小。CST≥6.5×10-4若实际的应变增长率<CST，则可防止热裂纹。14金属在高温下是否产生热裂纹，主要决定于：（1）脆性温度区TB的大小TB越大，收缩应力的作用时间就越长，产生的应变量越大，故形成热裂纹的倾向越大。（2）TB内金属的塑性TB一定时，TB内金属的塑性δmin越低，产生热裂纹的倾向越大。（3）TB内的应变增长率∂ε/∂T∂ε/∂T越大，越容易产生裂纹。15上述三个方面既相互联系和相互影响，又相对独立。脆性温度区的大小和金属在脆性温度区的塑性主要决定于化学成分、凝固条件、偏析程度、晶粒大小和方向等冶金因素；而应变增长率主要决定于金属的热胀系数、焊件刚度、铸件收缩阻力及温度分布等力学因素。16（二）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，其形成同凝固裂纹一样，与液膜的存在和拉应力的作用有关。产生于焊接热影响区或多层焊的层间金属中。17液化裂纹的形成机理：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。此外，在不平衡加热和冷却条件下，由于金属间化合物分解和元素的扩散，造成局部地区共晶量偏高而发生局部晶间液化，也会产生液化裂纹。18（三）高温失延裂纹的形成机理在固相线以下的高温阶段，金属的变形方式主要是沿着晶界本身的面发生滑动。晶界滑动变形与晶内滑移变形有着本质的不同，前者靠位错或空位移动实现，后者靠晶内沿一定的滑移面产生滑移（塑性变形）实现。19晶界滑动变形时，可能失去原子间的相邻关系，如同流体或非晶体一样，原子的排列是杂乱的。因此，晶界滑动变形也称为晶界扩散变形。温度越高，越有利于晶界的扩散变形；位错或空位的密度越大，越容易促使晶界的扩散变形。晶界扩散变形的发展遇到障碍时，就会在障碍附近形成较大的应变集中，引起楔劈作用而导致裂纹形核（楔形开裂），三晶粒相交的顶点最易形成大的应变集中，因此该部位易于产生微裂纹。20空穴开裂理论则认为，在高温和低应力下，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。晶界中过饱和的空位扩散凝聚，也可能是形成微裂的原因，此时晶界中若存在杂质偏析，则有利于降低空穴的表面能，促使微裂纹更易于形成。21

热裂纹的影响因素：冶金因素和工艺因素。冶金因素：指合金的化学成分及凝固组织的形态；工艺因素：包括工艺条件、结构形式和拘束状态等。

四、热裂纹的影响因素22（一）冶金因素的影响1．凝固温度区的影响2．合金元素和杂质的影响

合金元素尤其是易形成低熔点共晶的杂质是影响热裂纹产生的重要因素。

23硫和磷：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，又能与其他元素形成多种低熔点共晶，使合金在凝固过程中极易形成液态薄膜。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。锰：具有脱硫作用，可将FeS

置换成MnS，同时也能改善硫化物的形态，使薄膜状改变为球状，从而提高金属的抗裂性。硅：是δ相形成元素，应有利于消除凝固裂纹，但wSi＞0.4％时，容易形成硅酸盐夹杂，增加裂纹倾向。244．凝固组织形态的影响晶粒的大小﹑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，产生热裂纹的倾向就越大。25（二）工艺因素对热裂纹的影响

工艺因素不仅影响金属的应变增长率，还会影响杂质的偏析和组织状态等，从而影响热裂纹的产生倾向。1、铸型性质的影响

关键问题—要有良好的退让性

湿型好于干型酚醛树脂、水玻璃的薄壳砂芯好于粘土或水玻璃

262．工艺条件的影响浇注温度应根据铸件的壁厚来选择。薄壁铸件要求较高的浇注温度，使凝固速度缓慢均匀，从而减少热裂倾向。对于厚壁铸件，浇注温度过高会增加缩孔容积，减缓冷却速度，并使初晶粗化，形成偏析，因而易促使形成热裂。此外，浇注温度过高容易引起铸件粘砂或与金属型壁粘合，从而阻碍铸件收缩，引起热裂。浇注速度对热裂纹也有影响。浇注薄壁件时，希望型腔内液面上升速度较快，以防止局部过热。对于厚壁铸件，则要求浇注速度尽可能慢一些。273．结构形式的影响铸件厚薄不均时，各处的冷却速度不同，较厚部分凝固晚，收缩应力易集中于此处而导致裂纹。铸件两截面直角交接处或型壁十字交接处会形成热节，并产生应力集中，因而也容易产生热裂。

28可从冶金和工艺两个方面采取措施，防止热裂纹的产生。（一）冶金措施1．限制有害杂质严格控制钢材或焊缝中硫、磷等有害杂质的含量，合金元素含量越高，对硫、磷的限制越要严格。2．微合金化和变质处理在碳钢、合金钢和相应的焊缝中加入某些合金元素，如钒、钛、铌、锆、硼、稀土等元素，以细化晶粒，减少非金属夹杂，改善夹杂物的形态和分布。3．改进铸钢的脱氧工艺，提高脱氧效果，以减少晶界的氧化物夹杂，达到减少热裂倾向之目的。五、防止热裂纹的措施29工艺措施（1）减小铸件的收缩应力，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等，可降低热裂倾向。（2