20第五节 热裂纹
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《材料成形基本原理》（第3版）
国家级精品课程
（一）影响热裂纹倾向的冶金因素
凝固温度区的影响 合金元素和杂质元素的影响 凝固组织形态的影响
合肥工业大学材料科学与工程学院制作
普通高等教育“十二五”国家级规划教材
《材料成形基本原理》（第3版）
1．凝固温度区的影响
凝固温度区增大 温 度 /℃
脆性温度区范围增大
σ
A C
裂纹
B
τ
τ
σ
A
τ
τB
A
τ
微裂纹
Bτ
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《材料成形基本原理》（第3版）
国家级精品课程
二、热裂纹的形成机理
液态金属 凝固结晶
液固状态 固液状态
偏析
低熔点共晶 液态薄膜
脆性温 度区间
拘束
凝固收缩
应力与应变
凝固 裂纹
合肥工业大学材料科学与工程学院制作
Ni-B Ni-Al Ni-Zr Ni-Mg
共晶成分（质量分数/%）
Fe，FeS（S31）
Fe，Fe3P（P10.5） Fe3P，FeP（P27） Fe3Si，FeSi（Si20.5） Fe，FeSn（Fe2Sn2，FeSn）
（Sn48.9）
Fe，TiFe2（Ti16） Ni，Ni3S2（S21.5）
Ni、C 与 Mn 的影响
合金元素对热裂纹的影响已建立了一些定量判据，如热裂纹 敏感系数 HCS 、临界应变增长率 CST 等。
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《材料成形基本原理》（第3版）
国家级精品课程
合金系 Fe-S Fe-P Fe-Si Fe-Sn Fe-Ti Ni-S Ni-P
性事故的、危害最大的一类缺陷。
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一、热裂纹的分类及特征 二、热裂纹的形成机理 三、热裂纹的影响因素及防止措施
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脆 的 量性 作 越温 用 大度 时 ，区间形成就T热越B 裂长越TT纹，大SS的产，' 倾生收向的缩越应应大变力。
1
2
ε＝ f (T)
3
随TB温内度的下应降变，增应长变率ε∂ε增/大∂T。越大，越容易产ε,生δ 裂纹。
应工线表ε－2变艺示所应增因。对变C长素图S应率有1T的3与 关越δ-－4∂材 。大8ε塑质/，∂性产T有材关为生料T，临对凝L－还界热固液与应裂裂相焊变纹纹线接增敏规长的感范率性T条S、，越－件拘用小固束“。相程C线S度T”等
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《材料成形基本原理》（第3版）
T/℃
δ＝Φ(T)
裂纹
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TL TH
TB
TS TS'
δ
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T/℃
TL
TH
δmin
δ＝Φ(T)
TB
TB内金属的塑性 δmin越低，产生热 裂纹的倾向越大。
光泽，有明显的氧化色彩。
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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，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。
Ni，Ni3P（P11） Ni3P，Ni2P（P20）
Ni，Ni2B（B4） Ni3B2，NiB（B12） γNi，Ni3Al（Ni89） Zr，Zr2Ni（Ni17） Ni，Ni2Mg（Ni11）
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凝固裂纹的倾向增大 合金相图与结晶裂纹
裂
wB /%
纹
倾
向
/%
wB /%
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《材料成形基本原理》（第3版）
温 度 T/ ℃
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a）
b）
c）
d）
图13-53 二元合金相图与凝固裂纹倾向的关系
a）完全互溶 b）有限固溶 c）机械混合物 d）完全不固溶 虚线－凝固裂纹倾向的变化
TB－脆性温度区 TH－合TB肥上工限业大学TS材'－料T科B下学限与工程学院制作
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三、热裂纹的影响因素及防止措施
冶金因素 工艺因素 防止热裂纹的措施
结晶裂纹倾向试验
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液化裂纹
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高温失延裂纹的形成机理
在固相线以下的高温阶段，金属处于不断增长的固相收缩应力作用之 下，变形方式主要是依靠位错或空位沿着晶界的扩散、移动进行。当沿晶 界的扩散变形遇到障碍时（如三晶粒相交的顶点），就会因应变集中导致 裂纹。空穴开裂理论认为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。
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2、合金元素和杂质元素的影响
合金元素尤其是易形成低熔点共晶的杂质元素是影响
热裂纹产生的重要因素。
硫和磷 是钢中最有害的杂质元素，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，与其他元素形成 多种低熔点共晶，又是钢中极易偏析的元素。
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一、热裂纹的分类及特征
凝固裂纹 液化裂纹 高温失延裂纹
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1、凝固裂纹
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金属凝固结晶末期，在固相线附近发生的晶间开裂现象，
称为凝固裂纹或结晶裂纹。其形成与凝固末期晶间存在的
Leabharlann Baidu
液膜有关，断口具有沿晶间液膜分离的特征。裂纹无金属
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第五节 热裂纹
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。裂纹是可以引发灾难
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（一）影响热裂纹倾向的冶金因素
凝固温度区的影响 合金元素和杂质元素的影响 凝固组织形态的影响
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1．凝固温度区的影响
凝固温度区增大 温 度 /℃
脆性温度区范围增大
σ
A C
裂纹
B
τ
τ
σ
A
τ
τB
A
τ
微裂纹
Bτ
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二、热裂纹的形成机理
液态金属 凝固结晶
液固状态 固液状态
偏析
低熔点共晶 液态薄膜
脆性温 度区间
拘束
凝固收缩
应力与应变
凝固 裂纹
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Ni-B Ni-Al Ni-Zr Ni-Mg
共晶成分（质量分数/%）
Fe，FeS（S31）
Fe，Fe3P（P10.5） Fe3P，FeP（P27） Fe3Si，FeSi（Si20.5） Fe，FeSn（Fe2Sn2，FeSn）
（Sn48.9）
Fe，TiFe2（Ti16） Ni，Ni3S2（S21.5）
Ni、C 与 Mn 的影响
合金元素对热裂纹的影响已建立了一些定量判据，如热裂纹 敏感系数 HCS 、临界应变增长率 CST 等。
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合金系 Fe-S Fe-P Fe-Si Fe-Sn Fe-Ti Ni-S Ni-P
性事故的、危害最大的一类缺陷。
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一、热裂纹的分类及特征 二、热裂纹的形成机理 三、热裂纹的影响因素及防止措施
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脆 的 量性 作 越温 用 大度 时 ，区间形成就T热越B 裂长越TT纹，大SS的产，' 倾生收向的缩越应应大变力。
1
2
ε＝ f (T)
3
随TB温内度的下应降变，增应长变率ε∂ε增/大∂T。越大，越容易产ε,生δ 裂纹。
应工线表ε－2变艺示所应增因。对变C长素图S应率有1T的3与 关越δ-－4∂材 。大8ε塑质/，∂性产T有材关为生料T，临对凝L－还界热固液与应裂裂相焊变纹纹线接增敏规长的感范率性T条S、，越－件拘用小固束“。相程C线S度T”等
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T/℃
δ＝Φ(T)
裂纹
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TB
TS TS'
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T/℃
TL
TH
δmin
δ＝Φ(T)
TB
TB内金属的塑性 δmin越低，产生热 裂纹的倾向越大。
光泽，有明显的氧化色彩。
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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，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。
Ni，Ni3P（P11） Ni3P，Ni2P（P20）
Ni，Ni2B（B4） Ni3B2，NiB（B12） γNi，Ni3Al（Ni89） Zr，Zr2Ni（Ni17） Ni，Ni2Mg（Ni11）
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裂
wB /%
纹
倾
向
/%
wB /%
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a）
b）
c）
d）
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a）完全互溶 b）有限固溶 c）机械混合物 d）完全不固溶 虚线－凝固裂纹倾向的变化
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三、热裂纹的影响因素及防止措施
冶金因素 工艺因素 防止热裂纹的措施
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高温失延裂纹的形成机理
在固相线以下的高温阶段，金属处于不断增长的固相收缩应力作用之 下，变形方式主要是依靠位错或空位沿着晶界的扩散、移动进行。当沿晶 界的扩散变形遇到障碍时（如三晶粒相交的顶点），就会因应变集中导致 裂纹。空穴开裂理论认为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。
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2、合金元素和杂质元素的影响
合金元素尤其是易形成低熔点共晶的杂质元素是影响
热裂纹产生的重要因素。
硫和磷 是钢中最有害的杂质元素，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，与其他元素形成 多种低熔点共晶，又是钢中极易偏析的元素。
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凝固裂纹 液化裂纹 高温失延裂纹
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1、凝固裂纹
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金属凝固结晶末期，在固相线附近发生的晶间开裂现象，
称为凝固裂纹或结晶裂纹。其形成与凝固末期晶间存在的
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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。裂纹是可以引发灾难