《材料成形基本原理（第3版）》 課件 第13章 第十三章 缺陷形成與控制

第十三章缺陷形成與控制液態(tài)金屬體積收縮變形縮孔縮松熱裂紋冷裂紋氣體元素雜質(zhì)元素化合物夾渣氣泡氣孔過(guò)飽和析出降溫凝固受拘束應(yīng)力滯留成分偏析非平衡凝固低熔點(diǎn)共晶第一節(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)冷裂紋本章結(jié)束

什么叫偏析？為什么會(huì)出現(xiàn)偏析？偏析的利弊？

偏析的分類合金在凝固過(guò)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(guò)程中由于溶質(zhì)再分配和擴(kuò)散不充分引起的

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。第一節(jié)合金中的成分偏析

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

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，常產(chǎn)生于具有結(jié)晶溫度范圍、能夠形成固溶體的合金中。Ni-25%Cu合金快凝后的樹(shù)枝狀偏析固溶體合金按樹(shù)枝晶方式生長(zhǎng)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。2、晶界偏析

在合金凝固過(guò)程中，溶質(zhì)元素和非金屬夾雜物常富集于晶界，使晶界與晶內(nèi)的化學(xué)成分出現(xiàn)差異，這種成分不均勻現(xiàn)象稱為晶界偏析。

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。17Cr2Ni2Mo齒輪斷口晶界偏析的合金元素造成了回火脆性，碳化物在回火過(guò)程中沿晶界析出鋼液凝固中在晶界上偏析的片狀硫化物與球狀硫化物晶粒并排生長(zhǎng)，晶界平行于晶體生長(zhǎng)方向，晶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。

晶粒相對(duì)生長(zhǎng)，在對(duì)合處彼此相遇。晶粒結(jié)晶時(shí)所排出的溶質(zhì)（k0＜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。

偏析程度的影響因素合金液、固相線間隔偏析元素的擴(kuò)散能力冷卻條件（寬）（弱）（快）微觀偏析的影響因素與消除措施元素PSBCVTiMoMnNiSiCr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%0.01~0.030.01~0.040.002~0.100.3~1.00.5~4.00.2~1.21.0~4.01.0~2.51.0~4.51.0~3.01.0~8.0偏析系數(shù)|1－k0|0.940.900.870.740.620.530.510.860.650.350.34

微觀偏析程度一般用偏析系數(shù)|1－k0|來(lái)衡量。|1－k0|值越大，固相和液相的濃度差越大，晶內(nèi)偏析越嚴(yán)重。表11-1不同元素在鐵中的偏析系數(shù)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。可通過(guò)擴(kuò)散退火或均勻化退火來(lái)消除，即將合金加熱到低于固相線100～200℃的溫度，進(jìn)行長(zhǎng)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。二、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圖11-3單向凝固時(shí)鑄棒內(nèi)溶質(zhì)的分布

正常偏析隨著溶質(zhì)偏析系數(shù)|1-k0|的增大而增大。但對(duì)于偏析系數(shù)較大的合金，當(dāng)溶質(zhì)含量較高時(shí)，合金傾向于體積凝固，宏觀偏析反而減輕。

偏析使鑄件性能不均勻，也難以通過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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。圖11-6快速焊時(shí)焊縫的區(qū)域偏析電弧位置

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)易形成粗大的樹(shù)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(shù)枝晶間向外移動(dòng)。Al-4.7Cu合金鑄件的逆偏析鑄錠的宏觀偏析分布示意圖由于密度的差異，先凝固部分結(jié)晶沉淀，在鑄錠的下半部形成溶質(zhì)含量低于平均成分的偏析區(qū)，上部則形成高于平均成分的偏析區(qū)。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。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(zhǎng)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。圖11-7焊縫的層狀偏析a)焊條電弧焊b)電子束焊層狀偏析a）b）圖11-9熔合區(qū)中硫的分布注：上面數(shù)字E=11.76kJ/cm下面數(shù)字E=23.94kJ/cm硫的濃度wS

/%焊縫母材熔合線熔合區(qū)是母材與熔池的界面，Tm

溫度下由于S、P等雜質(zhì)元素在固相中的平衡含量遠(yuǎn)低于液相，造成近界面部位母材中的S、P向焊縫中轉(zhuǎn)移，在界面前沿的液相中形成雜質(zhì)元素富集層，隨后快速凝固。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(jiàn)圖中三組數(shù)據(jù)中的下行)三、焊接熔合區(qū)的化學(xué)成分不均勻結(jié)構(gòu)鋼與不銹鋼異種鋼接頭熔合區(qū)中碳的分布示意圖

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(guò)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)。x1x2x－x實(shí)際熔合線焊縫金屬結(jié)構(gòu)鋼母材wC%增碳層脫碳層

氣體在金屬中的含量超過(guò)其溶解度，或侵入的氣體不被金屬溶解時(shí)，會(huì)以分子狀態(tài)的氣泡存在于液態(tài)金屬中。若凝固前氣泡來(lái)不及排除，就會(huì)在金屬內(nèi)形成孔洞。這種因氣體分子聚集而產(chǎn)生的孔洞稱為氣孔。

氣孔是鑄件或焊件最常見(jiàn)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。第二節(jié)氣孔與夾雜一、氣孔的分類及形成機(jī)理二、夾雜物的形成及防止措施一、氣孔的分類及形成機(jī)理

析出性氣孔

侵入性氣孔

反應(yīng)性氣孔1、析出性氣孔

液態(tài)金屬在冷卻凝固過(guò)程中，因氣體溶解度下降，析出的氣體來(lái)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?。溶解在液態(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。溶解在液態(tài)金屬中氣體元素的析出方式有：擴(kuò)散析出；形成化合物析出；聚集成氣泡析出。后者析出過(guò)程為：形核長(zhǎng)大上浮圖11-11氣泡脫離現(xiàn)成表面示意圖a）θ＜90°b）θ＞90°b)氣泡氣泡a)氣泡依附于現(xiàn)成表面生核可以降低形核功，相鄰枝晶間的凹陷部位最容易形核。氣泡內(nèi)各氣體分壓的總和大于氣泡所受的外部壓力總和時(shí)氣泡才能長(zhǎng)大。氣泡尺寸越小，由表面張力所產(chǎn)生的附加壓力越大。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。氣體的析出過(guò)程r為氣泡半徑；ρm、ρB分別為金屬與氣泡的密度；Η為金屬粘度。氣泡上浮速度的斯托克斯公式：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；而含氣量較多時(shí)，氣孔較大，呈團(tuán)球形。

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)饪滓话愠啥殉霈F(xiàn)，形似蜂窩。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(lái)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?/p>

焊縫金屬中存在的反應(yīng)性氣孔通常是CO氣孔，是由液態(tài)金屬中的[O]與[C]直接反應(yīng)生成。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

與侵入型氣孔的區(qū)別在于反應(yīng)性氣孔來(lái)源于液態(tài)金屬與鑄型間的化學(xué)冶金作用，而侵入型氣孔主要是高溫液態(tài)金屬對(duì)鑄型的物理作用。

[Fe]+{H2O}→[FeO]+H2

含氮樹(shù)脂砂分解→N2

金屬(或鑄型)中的C氧化→CO

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(zhǎng)狀，垂直于鑄件表面，深度可達(dá)10mm左右。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)：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：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CaO

與FeO

殘?jiān)杂址Q為渣氣孔。

液態(tài)金屬內(nèi)元素間的反應(yīng)性氣孔（1）碳-氧反應(yīng)性氣孔

溶解在液態(tài)金屬中的氧與碳反應(yīng)，生成CO氣泡，凝固時(shí)來(lái)不及浮出的氣泡形成CO氣孔。鑄件中的CO氣孔多呈蜂窩狀（其周圍出現(xiàn)脫碳層），而焊縫中的CO氣孔為沿結(jié)晶方向的條蟲(chóng)狀。（2）氫-氧反應(yīng)性氣孔

溶解在液態(tài)金屬中的[O]和[H]反應(yīng)生成H2O氣泡，產(chǎn)生水氣孔。這類氣孔主要出現(xiàn)在銅合金鑄件中。（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（CH4）氣孔。二、夾雜物的形成及防止措施

夾雜物的來(lái)源及分類

鑄件中的夾雜物

焊縫中的夾雜物1、夾雜物的來(lái)源及分類自身雜質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)物主要來(lái)源爐料中的雜質(zhì)焊材、母材中的雜質(zhì)熔煉過(guò)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)物夾雜物的分類按夾雜物化學(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

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

次生夾雜物初生夾雜物

在金屬熔煉過(guò)程中及爐前處理時(shí)形成，經(jīng)歷偏晶析出和聚合長(zhǎng)大兩個(gè)階段。（1）夾雜物的偏晶析出

在對(duì)金屬進(jìn)行脫氧、脫硫和孕育處理時(shí)，從液態(tài)金屬中偏晶析出，使金屬中雜質(zhì)元素含量降低：（2）夾雜物的聚合長(zhǎng)大夾雜物從液相中析出時(shí)尺寸很?。▋H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(zhǎng)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。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(guò)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(lái)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。次生夾雜物

次生夾雜物是指合金凝固過(guò)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(guò)飽和狀態(tài)而發(fā)生偏晶反應(yīng)：L1→β＋L2，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。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Fe4N，在時(shí)效過(guò)程中過(guò)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SiO2、MnO、TiO2和Al2O3等，一般以硅酸鹽的形式存在。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。SH/mL.(100g)-1T/℃氫在不同金屬中的溶解度

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第三節(jié)縮孔與縮松液態(tài)收縮階段凝固收縮階段固態(tài)收縮階段三個(gè)階段一、金屬的收縮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(guò)程示意圖成分/％體收縮率/％體收縮率/％nmAB溫度/℃溫度/℃溫度/℃T澆

IIIIIImnIIIIII液態(tài)收縮凝固收縮固相收縮凝固收縮金屬?gòu)臐沧囟壤鋮s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:

εV總＝εV液＋εV凝＋εV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、變形與裂紋影響較大。二、縮孔與縮松的分類及特征

縮孔

縮松a）明縮孔b）凹角縮孔c）芯面縮孔d）內(nèi)部縮孔縮孔特點(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?？s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；ABmn？凝固？凝固層狀凝固體積凝固TLTLTSTSGG體積凝固層狀凝固樹(shù)枝晶胞狀晶縮松縮孔鑄件熱節(jié)處的縮孔與縮松三、縮孔與縮松的形成機(jī)理

縮孔的形成

縮松的形成縮孔的形成機(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(guò)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。

鑄件中縮孔形成過(guò)程示意圖縮松的形成機(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(shù)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(guò)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。四、影響縮孔與縮松的因素及防止措施（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(cè)（三）防止鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松的途徑（一）影響縮孔與縮松的因素

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）例：鑄鐵的縮孔、縮松傾向（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

縮孔和縮松發(fā)生位置的預(yù)測(cè)凝固等溫線法最大內(nèi)切圓法數(shù)值模擬方法輪轂?zāi)踢^(guò)程的數(shù)值模擬順序凝固方式示意圖縱向溫度分布曲線距離溫度冒口澆口

同時(shí)凝固方式示意圖內(nèi)澆道IIIIII距離縱向溫度分布曲線溫度冷鐵表13-2亞共晶鑄鐵的液態(tài)收縮率εV液碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC/％2.02.53.03.54.0εV液（T澆－TL＝100℃）/%1.51.71.82.02.1表13-4亞共晶鑄鐵的凝固體收縮率εV凝εV液（T澆＝1400℃）/%0.61.42.33.44.6碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC/％2.02.53.03.54.0凝固收縮率εV凝

/％白口鑄鐵5.14.64.23.73.3灰鑄鐵4.32.81.4-0.1-1.5白口鑄鐵的收縮率高，產(chǎn)生裂紋、縮孔、縮松的傾向大?；诣T鐵的縮前膨脹具有自補(bǔ)縮作用，縮孔與縮松的傾向較小?；诣T鐵和球墨鑄鐵共晶石墨長(zhǎng)大示意圖CCCC本節(jié)結(jié)束加熱與冷卻受拘束瞬時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變完全冷卻后殘余應(yīng)力與變形第四節(jié)應(yīng)力與應(yīng)變一、應(yīng)力二、變形一、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（一）應(yīng)力的形成溫度變化熱膨脹或收縮熱應(yīng)力（自身拘束）機(jī)械阻礙應(yīng)力（外部拘束）

固態(tài)相變（伴隨比容變化）受阻受阻相變應(yīng)力（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)接框形鑄件中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析

在高于彈性轉(zhuǎn)變溫度的階段，兩桿均處于塑性狀態(tài)，兩桿冷卻速度雖然不同，收縮也不一致，但該過(guò)程中的應(yīng)力均可通過(guò)塑性變形釋放。

繼續(xù)冷卻，冷卻較快的細(xì)桿已進(jìn)入彈性狀態(tài)，而粗桿仍處于塑性狀態(tài)。由于細(xì)桿受拉伸，粗桿受壓縮，形成臨時(shí)內(nèi)應(yīng)力，該應(yīng)力隨之會(huì)由于粗桿的微量塑性變形而消失。

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(zhǎng)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，至室溫形成殘余應(yīng)力。2、分析下列鑄件內(nèi)的縱向殘余應(yīng)力：厚壁筋板內(nèi)拉伸應(yīng)力薄壁筋板內(nèi)壓縮應(yīng)力中心近軸線部位受拉外部近圓周部位受壓⊕⊕一例2、金屬框架的局部加熱與冷卻

只對(duì)框架的中心桿件加熱，兩側(cè)的桿件不加熱，中心桿由于溫度上升而伸長(zhǎng)，但其伸長(zhǎng)受到兩側(cè)桿件的阻礙而不能自由進(jìn)行，故中心桿件受壓縮作用，產(chǎn)生壓應(yīng)力；兩側(cè)桿件在阻礙中心桿伸長(zhǎng)的同時(shí)，受到了中心桿的反作用，產(chǎn)生拉應(yīng)力。拉應(yīng)力與壓應(yīng)力在框架中互相平衡。

金屬框架加熱過(guò)程中的應(yīng)力

如果加熱溫度不高，加熱過(guò)程中的應(yīng)力值始終低于材料的屈服極限，則框架內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)框架的溫度均勻化后，熱應(yīng)力隨之消失。

如果加熱產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)材料的屈服極限，則中心桿件將產(chǎn)生壓縮塑性變形；當(dāng)框架溫度下降時(shí)，若中心桿件能自由收縮，則其長(zhǎng)度理應(yīng)比原來(lái)短，其縮短量就是壓縮塑性變形量。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(guò)程相反的殘余應(yīng)力場(chǎng)。金屬框架冷卻后的殘余應(yīng)力⊕⊕一??⊕

以低碳鋼板條中心堆焊為例，討論焊接加熱與冷卻過(guò)程中沿焊縫縱向的焊接瞬時(shí)熱應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力分布情況。焊縫縱向焊縫橫向加熱過(guò)程中的焊接縱向應(yīng)力焊后殘余應(yīng)力焊縫及HAZ受拉加熱過(guò)程冷卻過(guò)程加熱過(guò)程中冷卻過(guò)程中例4、異種鋼管對(duì)接焊

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(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化：

動(dòng)態(tài)焊接溫度場(chǎng)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)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小；厚薄壁連接處要圓滑過(guò)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。

2．合理選擇工藝

在焊接中，盡量采用較小的線能量（如采用小直徑焊條和較低的焊接電流），以減小焊件的受熱范圍。采用合理的裝焊順序和焊接方向，盡可能使焊縫能自由收縮，收縮量大的焊縫應(yīng)先焊。此外，采取預(yù)熱措施可降低工件中的溫度梯度，從而減小焊接應(yīng)力。

澆注鑄件時(shí)，應(yīng)選擇彈性模量和收縮系數(shù)小的材料；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(guò)早或過(guò)遲打箱。3．消應(yīng)力處理（1）熱處理法整體或局部加熱（Ac1溫度以下）并保溫一段時(shí)間，利用蠕變產(chǎn)生的塑性變形使應(yīng)力消除，再緩慢冷卻。（2）加載法對(duì)于壓力容器、船體結(jié)構(gòu)，利用加載所產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力與焊接應(yīng)力疊加，使拉應(yīng)力區(qū)（焊縫及近縫區(qū)）的應(yīng)力值達(dá)到屈服強(qiáng)度，迫使材料發(fā)生塑性變形，卸載后構(gòu)件內(nèi)的應(yīng)力得以完全或部分消除。（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(guò)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，降低焊接殘余應(yīng)力。振動(dòng)法消除焊件的殘余應(yīng)力振動(dòng)法消除機(jī)床底座的鑄造應(yīng)力二、變形（一）焊接變形的種類（二）控制變形的措施（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型梁的角變形焊接梁的彎曲變形T型梁的角變形（二）控制變形的措施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）焊接變形的矯正圖11-36箱形梁的不同接頭形式a)b)c)圖11-37箱形梁的焊縫布置a)b)c)圖11-38帶輪鑄件輪緣的變形和加厚示意圖a)b)圖11-40采用反變形法減小焊接變形b)a)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a)b)c)焊縫木楔低應(yīng)力無(wú)變形焊接技術(shù)1-水冷墊2-加熱器3－夾具

3圖11-45火焰矯正焊接變形示意圖加熱區(qū)加熱區(qū)旁彎上拱本節(jié)結(jié)束在應(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。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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(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。空穴開(kāi)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13-48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?cè)鲩L(zhǎng)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(zhǎng)，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?cè)鲩L(zhǎng)率?ε/?T

越大，越容易產(chǎn)生裂紋。線2所對(duì)應(yīng)的?ε/?T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。

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－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(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，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