第一节：铸件中的裂纹

第一节铸件中的裂纹一热裂热裂是铸件生产中常见的铸造缺陷之一，是在高温下形成的，裂口表面呈氧化色。

热裂又是沿晶粒边界产生和发展的，故裂口外形曲折而不规则，如图1－1所示。

图1－1 铸件中的热裂热裂分为外裂和内裂两种类型。

在铸件表面可以看到的热裂纹为外裂，裂口从铸件表面开始逐渐延伸到铸件的内部，表面宽内部窄，裂口有时会贯穿铸件整个断面。

外裂常产生要铸件的拐角处、截面厚度有突变处或局部冷凝慢以及产生应力集中的地方。

内裂常产生在铸件内部最后凝固的部位如缩孔附近，裂口表面很不平滑，有分叉。

外裂大部分可以用肉眼就能观察出来，细小的外裂则需用磁粉和着色探伤检查；内裂必须用射线或超声波探伤才能检查出来。

1 热裂的形成机理热裂的形成机理到现在为止尚存在分歧。

我们先来看看热裂纹的形成温度范围。

关于热裂纹的形成温度范围说法很多，归纳起来主要有两种观点：一种观点认为热裂纹是在凝固温度范围内但邻近于固相线温度时形成的，此时合金处于固－液态；另一种观点认为热裂纹是在稍低于固相线温度时形成的，此时合金处于固态。

有人对含碳量不同的碳钢进行了热裂形成温度范围的研究。

该实验结果表明：不论含碳量多少，碳钢产生热裂的温度都在固相线附近，当钢中硫、磷含量增高时热裂温度便降到固相线下。

必须指出的是：在铸造条件下，由于铸件冷却速度较快而引起的过冷，使液相线和固相线下移，加上合金中存在低熔点组成物，所以实际的固相线有时远低于平衡状态图中的固相线。

由此可以看出热裂是在合金接近完全凝固时的温度范围内形成的。

此时大部分合金已凝固成结晶骨架，而在骨架之间还剩有少量的液体。

下面我们再来讨论热裂纹的形成机理，主要有两种理论：强度理论和液膜理论。

（1）强度理论强度理论认为铸件在凝固末期，当结晶骨架已经形成并开始线收缩后，由于收缩受阻，铸件中就会产生应力或塑性变形，当应力或塑性变形超过了合金在该温度的强度极限或延伸率时铸件就会开裂。

铸件凝固之后在稍低于固相线时，如果满足上述条件同样会形成热裂。

钢在高温时很小的铸造应力或塑性变形就能超过其强度极限从而引起热裂纹，铜在这方面做的研究工作很少，也会存在同样的情况。

（2）液膜理论液膜理论认为铸件冷却到固相线附近时，固体周围还有少量未凝固的液体构成一层液膜，初期较厚，温度愈接近固相线，液膜就愈薄，当铸件全部凝固时，液膜即告消失。

铸件在凝固过程中必然经历这个由厚变薄以至消失的液膜期，在液膜存在期间，当铸件收缩受阻时，液膜被拉长，当液膜拉长速度超过某一限度时液膜就被拉裂（图1－2）。

图1－2 液膜被拉断形成热裂2 影响热裂形成的因素凡是影响合金在热裂纹形成的温度范围内的线收缩、收缩阻碍和合金力学性能（强度和塑性）的因素，都将对热裂趋向产生影响。

其中主要与合金性质、铸型阻力、铸造结构、浇冒口的布置和铸造工艺等方面有关。

（1）合金性质的影响合金性质对热裂的影响主要决定于合金在热裂形成的温度范围内的绝对收缩量和强度。

在结晶温度范围内，当固相形成完整的结晶骨架时线收缩便开始了，从线收缩开始到凝固完毕这段温度范围内的线收缩率可用下式表示：E＝α（t始－t固） .（1）式中：t始――线收缩开始温度t固――不平衡固相线温度t始－t固――有效结晶温度范围α――有效结晶温度范围内的平均线收缩系数由此可见：α和（t始－t固）愈大，则E 愈大，在其它条件相同时，E愈大表示有效结晶温度范围内铸件的应力也愈大，热裂趋向也愈大。

因此，宽结晶温度范围内的合金，有效结晶温度范围较大，热裂趋向也愈大；窄结晶温度范围内的合金，有效结晶温度范围较小，热裂趋向也愈小。

凡是能扩大有效结晶温度范围的元素，都将增加热裂趋向；凡是能减小有效结晶温度范围和相变的元素，都将减小热裂趋向。

另外铸件的初晶组织对热裂趋向也有影响，粗大枝晶的晶间强度比细晶的低，柱状晶的晶间强度不如等轴晶（图1－3所示）。

图1－3 粗大柱状枝晶间裂纹实际铸造尤其是半连续铸造的冷却速度比平衡态要快得多，因而元素扩散速度远落后于结晶过程，造成了实际结晶组织从平衡组织的偏离。

冷速愈快，偏离愈严重。

铸锭边部组织由于激冷常与冷却较慢的中心组织有明显的不同。

铸锭的横截面尺寸愈大，差别愈显著。

冷却速度与铸锭组织的一般关系是：冷却很小时易出现粗大的晶粒和粗疏的枝晶网格；当冷速增大后使结晶前沿形成温度梯度，造成柱状晶的出现和不断长大，同时枝晶网趋于细密；若冷速进一步增大，过冷度也不断增大，金属液内结晶形核率将明显大于晶粒长大速度，此时晶粒趋于细化，枝晶网可能很细。

在半连续铸造中通过对结晶器、二次冷却水、铸造速度和浇铸温度的选择，可改变结晶前沿构成的液穴形态，同时铸锭组织也可得到改善。

（2）铸件结构的影响铸件结构设计是否合理对热裂形成的影响很大。

如果设计不合理，使局部造成过厚的热节或引起应力集中现象则热裂易在这些部位形成。

铸件厚薄不一样，冷却速度快慢也不同，薄的部位先凝固，降至较低温度时具有较高的强度，它对厚的部位的凝固起阻碍收缩作用，所以在厚的部分易产生热裂。

（3）铸造工艺的影响由于在浇铸过程中，铸造速度慢和冷却强度较小，造成铸锭厚度中间位置形成粗大的柱状晶，而且铸锭在最后凝固的中间部分产生拉应力，从而在厚度中间部分形成沿晶界开裂的热裂纹。

冒口设计不合理上大下小的冒口也可能造成铸件收缩时的机械阻碍，导致铸件热裂。

（4）铸型阻力的影响铸件凝固后期进行线收缩时受到铸型的阻力愈大，则铸件内产生的机械阻力愈大，铸件愈易开裂。

3 防止铸件热裂的方法影响铸件热裂的因素是多方面的，预防热裂主要从减少铸件收缩时的机械阻碍、热阻碍和提高合金强度加以考虑。

二铸造应力铸件在凝固后的冷却过程中，由于温度下降将继续产生收缩，有些合金还会发生固态相变而引起的膨胀或收缩，这些都使铸件的体积和长度发生变化，如果这种变化受到阻碍，使铸件中产生应力，称为铸造应力。

铸造应力按其形成原因分为热应力、相变应力和机械阻碍应力三种。

热应力：铸件在冷却过程中，由于各部分冷却不一致，便会造成同一期间各部分收缩量不一样，但铸件各部分是连成一个整体的，因此，彼此间相互制约的结果便造成了应力，这种由于线收缩受热阻碍而产生的铸造应力称为热应力。

相变应力：铸件各部分在冷却过程中发生固态相变时的时间不一致，体积和长度变化的时间也不一致，而彼此又互相制约，结果产生了应力，称为相变应力。

机械阻碍应力：是铸件线收缩受到铸型、型芯、浇冒口等机械阻碍而产生的应力。

如果铸造应力在铸件冷至常温后仍然存在则称为残余应力。

铸造应力对铸件质量有很大的影响，如果铸造应力超过了合金的屈服强度则产生塑性变形，使铸件尺寸有所改变，如果铸造应力超过了合金的强度极限则产生裂纹，铸造应力小于合金的弹性极限时则将残留于铸件。

铸件有了残余应力就要用时效或去应力退火消除，否则会降低铸件的使用性能。

1 铸件在冷却过程中的热应力产生热应力的原因是铸件各部分冷却速度不一致而引起的收缩量不一致造成的。

现以厚度不均的丁字梁为例来讨论残余热应力的形成过程。

图1－4 T字形梁铸件为了分析方便，我们将T字形梁铸件的厚截面部分称为A，薄截面部分称为B。

这样铸件就可看成杆A和杆B两部分组成，下面分三个阶段来分析T字形梁铸件的热应力的形成。

第一阶段：杆A和杆B都处于塑性状态。

由于杆B截面较小，冷却速度较快，收缩量稍大，而杆A温度较大，收缩量较小，但它们是联在一起的一个整体，所以杆A被塑性压缩，杆B被塑性拉伸，由于是塑性变形，变形后应力基本消失。

第二阶段：杆A仍处于塑性状态，杆B进入弹性状态。

由于弹性杆的变形比塑性杆困难得多，所以整个铸件的收缩由弹性杆来确定，杆A仍处于塑性状态，所以变形后应力也基本消失。

第三阶段：两杆都进入弹性状态。

在第二阶段末期杆A温度高于杆B，当降至室温时如果两杆都能自由收缩，则杆A收缩量比杆B大，但由于二者联在一起，收缩时彼此制约，若铸件不产生弯曲变形，只能是同一长度。

因此杆A被弹性拉伸，杆B被弹性压缩。

因为在弹性范围内应力不能松驰和消失，便在杆A中残留拉应力，在杆B中残留压应力，这就构成了铸件中的残余热应力。

2相变应力铸件在冷却过程中发生固态相变，晶体体积就会发生变化，从而影响铸件收缩的方向和数量。

如果相变温度高于临界温度即合金处于塑性状态，则不会产生大的相变应力；如果相变温度低于临界温度而且铸件各部分温度不一致，相变不同时发生则会产生相变应力。

3机械阻碍应力铸件在冷却到弹性状态后，由于收缩受到机械阻碍而产生的应力称为机械阻碍应力，表面为拉应力和切应力。

由于机械阻碍应力是在弹性状态时产生的，形成的原因一经消除，应力也随之消失。

铸件厚部分的机械阻碍应力与热应力是同方向的，两种应力的叠加会使铸件厚的部分发生冷裂。

薄部分的与热应力的方向相反，应力可以互相抵消一些，但当铸件薄的部分机械阻碍应力过大，超过合金的强度极限时也会在薄的部分发生冷裂。

三铸件的冷裂1冷裂的产生和预防冷裂是铸件处于弹性状态时铸造应力超过了合金的强度极限而产生的。

冷裂往往出现在铸件受拉伸的部位，特别是在应力集中的地方，如内尖角处、缩孔处或非金属夹杂物附近等。

冷裂纹的特征与热裂纹不同，外形常是圆滑曲线或连续直线状，而且往往是穿晶断裂，断口表面干净具有金属光泽或呈轻微的氧化色（图1－5）。

图1－5 铸件的冷裂铸件的冷裂趋向与铸造应力及合金的机械性能有密切的关系。

影响冷裂的因素与影响铸造应力的因素是一致的。

防止铸件冷裂的方法与防止热裂的方法大致相同。

2大型铸件中的内冷裂以园柱形截面的大型铸件为例来讨论它们在各个阶段的应力状态。

铸件在结晶凝固后，进入弹性阶段以前，由于铸件截面较大，在冷却过程中表面和心部出现较大的温差，表面冷得快，心部冷得慢，表面受冷降温后将要收缩，内部由于温度较高保持一定的长度和体积，这样便在工件心部产生压应力，而表面产生拉应力，由于此时的心部处于塑性状态，这种应力将随着工件发生塑性变形而松驰。

随着温度的继续下降，工件表面先进入弹性状态，心部仍处于塑性状态，此时塑性状态的心部将发生塑性变形以保持与表面的收缩统一。

继续降温，当心部也要进入弹性状态时，由于园柱形工件的外园表面与顶部已形成了一个冷硬的弹性外壳，心部的收缩受到了外壳的强烈牵制，心部便产生拉应力，外园产生压应力，这就是铸件中的热应力。

随着铸件冷却到室温一直残留在工件中不能消除。

由于大型工件心部存在很大的残余应力，因此在随后的加热（包括去应力退火、淬火、正火）工序应特别注意。

因为快速加热，会使工件内外温差增大，表面的受热膨胀将加剧工件心部的拉应力达到很大的数值，当这个拉应力超过铸件心部的强度极限时便在工件内部产生裂纹。

因工件表面承受较大的压应力，内部产生的裂纹扩展到表面很困难，这就形成了大型铸件中的内冷裂。

试验证明：轴心部位径向和切向应力较小，而轴向拉应力较大，因此大型铸件（如轴类和轧辊等）横向内裂纹较多。