第13章铸件热裂
第十三十四章铸造应力、变形及热裂
§ 11.1.2 固态有相变的合金瞬时应力的发展过程
§ 11.1.3 铸件在冷却过程产生的机械阻碍应力
§ 11.1.4 影响残余应力因素
§ 11.1.5 减小或消除铸造应力的途径
东北大学材料加工工程
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2020/4/10
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§ 11.1.1 固态无相变的合金瞬时应力的发展过程
c. 机械阻碍应力(mechanism hindered stress)：铸件收缩受 到铸型、型芯、箱挡和芯骨等机械阻碍所产生的应力。（临时）
B. 按应力存在的时间分：
a.临时应力(temporary stress)：产生应力原因消失，应力便消 失。
b.残余应力(residual stress)：产生应力原因消除后，仍然存在
的应力。
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2020/4/10
§ 11.1 铸件在冷却过程中产生的应力 4
早在1867年俄国学者卡拉库特斯基就研究了铸钢 锭内产生的应力。1907年德国学者Heyn对参与应力的 产生进行了系统的分析。我们站在前人研究的基础上 对他们的理论进行修正。下面从以下几个方面进行讲 解：
压应力，杆I 内为拉应力。
阶
应该指出，合金在高温时，特别是
段
在固相线以上，屈服极限很低，铸件内
产生的应力很容易超出屈服极限，发生
塑性变形，使完全卸载时刻早于τ3。
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2020/4/10
§ 11.1.1 固态无相变的合金瞬时应力的发展过程 8
线收缩开始
温度
Байду номын сангаас第三阶段(τ2～τ3)：两杆的温差逐渐减
铸钢件热裂的产生和防止
铸钢件热裂的产生和防止摘要分析了熔模铸钢件热裂产生的原因和过程，论述了防止热裂的工艺措施，并介绍了自割内浇口转移热裂及其设计方法。
关键词：熔模铸造铸钢热裂热裂是熔模铸钢件常见的缺陷之一。
随着熔模铸造的发展，复杂件、薄壁件越来越多，型壳的强度也得到了很大提高，熔模铸钢件中热裂缺陷的比例也随之上升。
如何防止热裂成了熔模铸造技术工作人员关心和棘手的问题。
1 热裂产生的原因当铸件某个部位的应力达到或超过其材质的强度极限时，铸件该部位将会产生裂纹。
铸件的裂纹分为热裂和冷裂两类。
如果裂纹是在凝固过程中形成，则此裂纹称为热裂。
热裂的裂口断面呈氧化色，裂口粗糙，其微观组织为晶间断裂。
如果裂纹是在铸件完全凝固后形成的，则此裂纹称为冷裂。
铸件在凝固时会产生较大的收缩，当此收缩受铸型的阻碍或受铸件其余部分的牵制，则会产生应力。
而铸件材质在凝固阶段的强度极限极低，因此应力很可能达到或超过其强度极限而使铸件局部产生裂纹。
如果裂纹是在凝固前期形成，而此时仍存在着较大比例的液相且具有良好的流动充填性，则裂纹被液相焊合。
但当裂纹在凝固后期形成(一般指固相率>0.7),此时固相骨架已经比较致密，所残余的液相难以充填弥合裂纹，则裂纹将会进一步发展并残留下来，热裂形成点大致在固相线附近。
热裂往往产生在铸件“弱点”部位，所谓“弱点”即铸件凝固过程中结壳最薄部位。
这些“弱点”通常是铸件壁连接的内角或浇注系统引入部位等一些局部过热部位。
热裂的产生过程大致如下：铸件凝固初期，在其平面和圆柱表面部位以及外圆角部位凝固结壳而具有了一定强度和刚度。
之后在内圆角部位也凝固结壳而具有一定强度和刚度。
同时结壳因凝固冷却而产生收缩，此时结壳将受到与其相连的铸型型壁的阻碍而产生应力，特别是铸件的突起部位。
随着凝固的进行，结壳增厚，浇注金属的比强度增大，结壳的总强度也增大。
但是由于铸型型壳受热产生膨胀、烧结而使铸件的收缩受阻增大，引起了凝固结壳中应力增大。
热裂纹
五、总结
1、只要减少铸造应力，提高合 金高温强度，就能有效的预防、减 少，甚至消除铸件的热裂纹。 2、采取任何措施都应符合“三 性”，即工艺的先进性，生产的可 行性，经济的合理性。
谢谢大家！
深圳市盈迅精密机械有限责任公司 刘福生录制
附：作者简介
潘玉洪（1942.12.09——）辽宁省丹 东市人，1967年毕业于沈阳工业大学， 高级工程师。现受聘于深圳市盈迅精密 机械有限责任公司公司 总经理顾问。 编著《熔模铸造缺陷图册》发表于 1979年中国工程机械学会 铸造学会“质 量控制与测试技术”学组第一届年会。 参加全国铸造学会组织编写的《熔模铸 造缺陷手册》（1983年国防工业出版社 出版）。起草了中华人民共和国第一机 械工业部 重企标准《凿岩机械与气动工 具 结构钢熔模铸件通用技术条件》（ BJ/ZQ6001-81）。在全国专业学术会议 和重点学术杂志上发表了60余篇科技论 文。曾受聘中国铸造协会2015年举办的 《熔模铸造缺陷分析与对策》实战培训 班教师。
熔模铸件热裂纹缺陷分析与对策
潘玉洪
pyhsz@ 13509655192
深圳市盈迅精密机械有限责任公司 二0一五年十二月
前言
热裂纹是熔模铸件常见的缺陷之一。 其废品率约为10%～15 %，个别铸件有时 高达90 %以上。 为此，要研究如何预防、减少，甚至 消除铸件热裂纹。
一、概述
1、什么是热裂纹?
铸件在高温时产生的铸造应力（相变应力 、热应力、收缩应力）超过此时合金材料的强 度极限时，出现的裂纹称为热裂纹。
2、热裂纹产生在哪些部位呢？
热裂纹常产生在铸件最后凝固且容易产生 应力集中的部位，如热节、拐角、尖角或靠近 内浇口等处。
一、概述
3、热裂纹特征。宏观：如图1。热裂纹在高温下
铸件热裂缺陷的成因及防止措施
密性和 内部 质量直 接影 响到发动机 的工作效率 。 我 公司现 为某 主机厂生产 的进气歧 管最大轮 廓尺
寸 为７ ５ ４ ｍｍ ×１ ５ １Ｏ ３ ｍｍ Ｘ ｌｍｍ，重 量 ３ ｋ ，材 质 ． ｇ ４ 牌 号 为 Ｌ ２ 。该 铸 件 壁 厚 偏差 大 ，最 厚 处 壁 厚 达 Ｍ ７
代表性的氧化色 。值得注意的是 ，缩裂的断 Ｉ有时 ＝ １
也 会 显 示 出这 种颜 色 。 有 些 时候 ，热 裂 和 缩裂 极 其 相 似 ，人们 只 能 在
所采取的措施取得成效之后 ，才能确定该缺 陷究竟 属于哪一种。实践 中应反复考虑产生这两种缺 陷的
各 种可 能 性 ，以 免混 淆 。 笔者 结 合 多 年 的Байду номын сангаас生 产 实 践 经 验 并 参 阅 有 关 资 料 ，谈 谈 铸件 热 裂 的产 生 原 因及 其 防止 措 施 。
２ 模样 ．
（）铸件 内圆角大小不合理 ，其责任可能是设 １ 计人员，也可能是木模工 。如果只在截面内侧交角 做出圆弧 ，而其外侧交角仍是尖角 ，会更容易产生
热 裂 。解决 办法 是把铸 件 模样 的外 侧拐 角修 圆。 （ ）防 裂 筋 和 拉 筋 过 小 、过 大 或 位 置 不 当会 ２ 产 生 热 裂 。防 裂 筋过 大 ，会 引起 内应 力 ；防 裂 筋过
热 裂 倾 向大 的 金 属 。 浇 注温 度 低 ，则 不 能将 砂 型 或 砂 芯 中 的 粘 结 剂 烧 掉 ， 以 使 其 适 度 溃 散 。 另一 方 面 ，若 浇 注 温 度 太 高 ，则会 在 截 面 不均 匀的 铸 件 中 形成 较 大 的 温 度梯 度 。 因此 ，在 保 证 金 属 液 有 足够 热量 烧 掉 砂 型 （ 或 砂 芯 ） 中粘 结 剂 的 前 提 下 ，浇 注 温 度越 低 越 好 。如
第十章铸造热裂
二、防止铸件产生热裂的途径
1.合金成分、熔炼工艺 1）在不影响铸件的使用性能的前提下，可适当调
整合金的化学成分，或选择热裂倾向性较小的合金 2）减小合金的有害杂质 3）改善合金的脱氧工艺 4）细化初晶组织 2.铸型方面 1）改善砂型和砂芯的溃散性 2）采用涂料使型腔表面光滑，减小摩擦阻力
TB 内的应图变11增-4长8 率产∂生ε结/∂晶T 裂越纹大的，条越件容易产生裂纹。
线2e所－应对变应的p－∂塑ε 性/∂T T为L－临液界相应线变增TS－长固率相，线用“CST”
表示T。B－C脆S性T 温越度大区，材TH料－对TB热上限裂纹T敏S'－感T性B下越限小。
影响热裂形成的因素和防止产生热烈的途径
第十章 铸件的热裂
概述 热裂形成的温度范围及形成机理 影响热裂形成的因素和防止产生热烈的途径
概述
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
热裂
外裂：铸件上可以看到的热裂
（裂口从表面开始，向内部延伸）
内裂：产生在铸件最后凝固部位， 有时出现在缩孔下部（裂口表面
不规则，常有分叉，不会延伸到表面）
一、影响因素 热裂的倾向与TB、δ、ε 有关。 TB的影响因素：化学成分
晶界杂质的偏析情况 晶界体尺寸，形状及晶间液体分布 变形速度等 ε的影响因素：合金收缩系数 铸型刚度 铸件温度
1.铸造合金的性质
（1）化学成分对热脆区的影响 热脆区越大，热裂倾向越大。热脆区取决于合金 的化学成
热裂裂口的特征：
铸钢件热裂的产生和防止
铸钢件热裂的产生和防止摘要分析了熔模铸钢件热裂产生的原因和过程，论述了防止热裂的工艺措施，并介绍了自割内浇口转移热裂及其设计方法。
关键词：熔模铸造铸钢热裂热裂是熔模铸钢件常见的缺陷之一。
随着熔模铸造的发展，复杂件、薄壁件越来越多，型壳的强度也得到了很大提高，熔模铸钢件中热裂缺陷的比例也随之上升。
如何防止热裂成了熔模铸造技术工作人员关心和棘手的问题。
1 热裂产生的原因当铸件某个部位的应力达到或超过其材质的强度极限时，铸件该部位将会产生裂纹。
铸件的裂纹分为热裂和冷裂两类。
如果裂纹是在凝固过程中形成，则此裂纹称为热裂。
热裂的裂口断面呈氧化色，裂口粗糙，其微观组织为晶间断裂。
如果裂纹是在铸件完全凝固后形成的，则此裂纹称为冷裂。
铸件在凝固时会产生较大的收缩，当此收缩受铸型的阻碍或受铸件其余部分的牵制，则会产生应力。
而铸件材质在凝固阶段的强度极限极低，因此应力很可能达到或超过其强度极限而使铸件局部产生裂纹。
如果裂纹是在凝固前期形成，而此时仍存在着较大比例的液相且具有良好的流动充填性，则裂纹被液相焊合。
但当裂纹在凝固后期形成(一般指固相率>0.7),此时固相骨架已经比较致密，所残余的液相难以充填弥合裂纹，则裂纹将会进一步发展并残留下来，热裂形成点大致在固相线附近。
热裂往往产生在铸件“弱点”部位，所谓“弱点”即铸件凝固过程中结壳最薄部位。
这些“弱点”通常是铸件壁连接的内角或浇注系统引入部位等一些局部过热部位。
热裂的产生过程大致如下：铸件凝固初期，在其平面和圆柱表面部位以及外圆角部位凝固结壳而具有了一定强度和刚度。
之后在内圆角部位也凝固结壳而具有一定强度和刚度。
同时结壳因凝固冷却而产生收缩，此时结壳将受到与其相连的铸型型壁的阻碍而产生应力，特别是铸件的突起部位。
随着凝固的进行，结壳增厚，浇注金属的比强度增大，结壳的总强度也增大。
但是由于铸型型壳受热产生膨胀、烧结而使铸件的收缩受阻增大，引起了凝固结壳中应力增大。
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。
铸件热裂纹的原因及其防治措施
铸件热裂纹的原因及其防治措施热裂纹常发⽣在铸件最后凝固并且容易产⽣应⼒集中的部位，如热节、拐⾓或靠近内浇⼝等处。
热裂纹分为内裂纹和外裂纹。
内裂纹产⽣在铸件内部最后凝固的地⽅，有时与晶间缩孔、缩松较难区别。
外裂纹在铸件的表⾯可以看见，其始于铸件的表⾯，由⼤到⼩逐渐向内部延伸，严重时裂纹将贯穿铸件的整个断⾯。
宏观裂纹：由于热裂纹是在⾼温下形成的，因此裂纹的表⾯与空⽓接触并被氧化⽽呈暗褐⾊甚宏观裂纹：⾄⿊⾊，同时热裂纹呈弯曲状⽽不规则。
微观裂纹：沿晶界发⽣与发展，热裂纹的两侧有脱碳层并且裂纹附近的晶粒粗⼤，并伴有魏⽒微观裂纹：组织热裂纹形成的温度范围熔模铸件的热裂纹到底是在什么温度下发⽣的，长期以来说法不⼀．到⽬前为⽌归纳起来仍有两种：其⼀，热裂纹是在凝固温度范围内但接近于固相线温度时形成的，此时合⾦处于固-液态；其⼆，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。
热裂纹的防⽌措施１．提⾼铸件在⾼温时的强度与塑性(1)合理选材选材是⼀项极为复杂的技术和经济问题。
所渭合理选材就是选⽤的材质应该同时满⾜铸件的使⽤性、⼯艺性和经济性。
对于铸件⽽⾔，主要是铸造⼯艺性(热裂性、流动性和收缩性等)。
如果该材质的铸造⼯艺性能不佳，热裂倾向性⼤，那么浇注出来的铸件产⽣热裂纹的废品率就⾼。
(2)保证熔炼质量在铸钢合⾦成分中，最有害的化学成分是硫。
当wS＞0.03％，以O.05％的临界铝含量脱氧，硫化物以链状共晶形式分布时，塑性很低，易引起热裂纹。
在熔炼时，可以加⼊适量的强脱硫剂稀⼟元素，以减少合⾦中的含硫量。
只要稀⼟元素的加⼊⼯艺合理，其脱硫效果为40％～50％：并且稀⼟元素能细化晶粒，改变夹杂物的形态与分布，从⽽减轻了热裂纹的程度(指裂纹的⼤⼩与深浅)和降低了热裂纹的数量。
另外，分布于铸钢晶界的低熔点夹杂物将降低它的强度和塑性，并且随着夹杂物的增多，强度和塑性下降，促使形成热裂纹。
在熔炼时，应选⽤⼲净、清洁的炉料；采⽤合理的熔炼⼯艺，加强操作，才能保证熔炼质量。
热裂
热裂Hot Tearing一、热裂特征和分类热裂是铸件生产中最常见的铸造缺陷之一。
热裂的外观特征如图9—4所示，裂纹表面呈氧化色(铸钢件裂纹表面近似黑色，铝合金呈暗灰色)，不光滑，可以看到树枝晶(图9—5)。
裂纹是沿晶界产生和发展的(图9—6)，外形曲折。
热裂分为外裂和内裂。
在铸件表面可以看到的裂纹称为外裂，其表面宽，内部窄，有时贯穿铸件整个断面。
外裂常产生在铸件的拐角处、截面厚度有突变或局部冷凝慢且在凝固时承受拉应力的地方。
内裂产生在铸件内部最后凝固的部位，也常出现在缩孔附近或缩孔尾部(图9—7)。
大部分外裂用肉眼就能观察到，细小的外裂需用磁力探伤或其它方法才能发现；内裂需用x射线，γ射线或超声波探伤检查。
在铸件中存在任何形式的热裂纹都严重损害其机械性能，使用时会因裂纹扩展使铸件断裂，发生事故。
因此，任何铸件皆不允许有热裂。
外裂容易发现，若铸造合金的焊接性能好，铸件经补焊后仍可以使用，若焊接性能差，铸件则报废。
内裂隐藏在铸件的内部，不易发现，故它的危害性更大。
因此，了解和分析热裂的形成过程及其影响因素，对于防止热裂的产生，获得健全铸件具有重要的意义。
二、热裂形成机理热裂形成的机理主要有液膜理论和强度理论。
1、液膜理论研究表明，合金的热裂倾向性与合金结晶末期晶体周围的液体性质及其分布有关。
铸件冷却到固相线附近时，晶体周围还有少量未凝固的液体，构成液膜。
温度越接近固相线，液体数量越少，铸件全部凝固时液膜即消失。
如果铸件收缩受到某种阻碍，变形主要集中在液膜上，晶体周围的液膜被拉长。
当应力足够大时，液膜开裂，形成晶间裂纹。
因此，液膜理论认为，热裂纹的形成是由于铸件在凝固末期晶间存在液膜和铸件在凝固过程中受拉应力共同作用的结果。
液膜是产生热裂纹的根本原因，而铸件收缩受阻是产生热裂纹的必要条件。
但在铸件凝固过程中，为什么在“液膜期”合金产生热裂的可能性最大，则需进的合金为例，将其结晶过程分成以下几个一步说明。
铸造热裂原理与防控
防止措施： 1.选择有效结晶温区小、收缩小的合金 2.细化晶粒，球化处理等 3.控制熔炼工艺，改进脱氧工艺，尽量去除有害杂质 （二）铸型影响 1.铸型、砂芯阻力： （1）退让性越大，收缩阻力越小，热裂越小 湿型>干型 有机粘结剂砂型>非有机砂型 （2）退让时刻：粘土砂>1250℃具有较好的退让性 2.铸型与金属的作用： 化学粘砂及机械粘砂作用越强，热裂越大
铸件的应变 合金的应变
铸件应变与断裂应变的关系：
T
f T
不产生热裂纹
产生热裂纹的临界条件
产生热裂纹
分析：合金的热裂倾向性
是由热脆区、应变和断裂应变综合决定的。热脆区越大，金属低 塑性时间越长，越易形成热裂。热脆区内金属断裂应变越低，铸 件的应变越大，则越容易产生热裂。
第四阶段：
合金处于固态，在固相线附近合金的塑性好，在应力作用下，很 容易发生塑性变形，形成裂纹的几率很小。
合金热裂倾向与晶间液体的相关关系： 晶间液体铺展液膜时，热裂倾向显著增大；晶间液体呈球状而 不易铺展时，合金热裂倾向明显减轻。 晶间液体的形态受界面张力和固液界面张力的平衡关系支配：
SS 2 SL cos
沿晶分布；产生于铸件内部最后凝固的部位，也出现在缩孔附近 或缩孔尾部。 热裂的危害： 严重影响机械性能；严重裂纹扩展使铸件断裂。 热裂补救措施： 外裂——补焊 内裂——无良好办法
一、热裂形成的温度范围
10-2 热裂形成的温度范围及形成机 理
碳钢产生热裂的温度是在固相线附近，随硫磷含量增高而降低
热裂纹是在固相线以上形成，且其形成温度随应变速率的增加 而升高
2.强度理论 铸件在凝固末期，固相骨架已经形成并开始线收缩，由于线收缩 受阻，铸件中产生应力和变形。当应力或变形超过合金在该温度 下的强度极限或变形能力时，铸件便产生热裂纹。
铸造金属凝固原理第-热裂
合金收缩系数与温度的关系
通过合金在凝固期间收缩值的变化也可以说明，热裂是在固相线附 近T2～T4温度范围内产生的。出现裂缝时，如附近的液态金属有良 好的流动性，裂口可能被液体充填而愈合，裂缝内往往浓聚着低熔 点偏析物可说明这一点。
2 热裂形成机理 ① 强度理论 脆性温度区间：固相线附近 脆性温度区间强度和塑性小，脆性区愈大，金属处于低塑
⑤ 控制铸钢的结晶过程，使初晶组织细化，减少热裂倾向。
• 用超声波振动可使碳钢、高铬钢和高烙镍钢铸件结晶细化 ，晶粒尺寸可减小3～6倍。使金属在旋转磁场的作用下凝 固也可以使晶粒细化。采用悬浮浇注法，即在钢水浇注的 同时通过浇口或其他通道加入细颗粒金属粉末使初晶组织 细化。例如35碳钢铸件加入2％粒度为0.1 的铁粉；高锰 钢铸件浇注时加入2％的锰铁粉；浇注铬钼模具铸件时加 入粒度0.1 的钼粉，均有细化晶粒提高力学性能，减少热 裂缺陷的作用。
热裂纹的形成是由于铸件在凝固末期晶间存在液膜和铸件 在凝固过程中受拉应力共同作用的结果。液膜是产生热裂 纹的根本原因，而铸件收缩受阻是产生热裂纹的必要条件。
凝固过程的四个阶段
脆性温度区：上限为枝晶开始交织长 合的温度，其下限为液膜完全消失的 实际固相线温度。
晶间液体的形态：晶间液体铺展液膜时，热裂倾向显著增 大；若晶间液体呈球状而不易铺展时，合金热裂倾向明显 减轻。
2 铸型（型芯）性质的影响 铸型（型芯）对收缩的阻力越大，铸件内产生的收缩应力
愈大，铸件愈易开裂。 铸件表面粘砂将影响铸件相对于铸型表面移动，因而会影
响铸件收缩并促使热裂形成。 金属型温度
3 浇注条件的影响 ① 浇冒口系统 靠近浇冒口部位易形成热裂。 浇注时金属引入铸型的方法 浇冒口的布置 ② 浇注工艺 提高浇注温度可减轻薄壁铸件的热裂倾向。 厚大铸件，浇注温度过高，会使铸件晶粒粗大，晶间结合
第13章铸件热裂
§10-2 热裂形成的温度范围及形成机理
§10-3 影响热裂的因素和防止途径
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2012-12-13
§10-1 铸件热裂的概述
3
热裂纹是铸钢件、可锻铸铁件和某些轻合金铸件生产中最常 见的铸造缺陷之一。合金的热裂性是重要的铸造性能之一。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、热裂的特征（如图所示）：
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§10-2 热裂形成的温度范围及形成机理
液膜理论 由于晶间液体存在的形态不同，热裂纹的形成过程可 分为以下两种情况。
17
第一种情况： θ=0°, 枝晶间的液体铺展成液 膜，其界面张力将两侧 的固体枝晶吸附在一起。 液膜的结合力很低，合 金呈脆性，很小的应力 就可使晶间断裂，形成 裂纹。
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10-8
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2012-12-13
11
液膜理论
第三阶段：合金冷却到液相线以下某 温度后，枝晶彼此接触，连成骨架， 并不断挤在一起，晶间存在液相但很 少，液体的流动发生困难。 由于晶间结合力很弱，在拉应力作用 下极易产生晶间裂纹，裂纹一旦产生 又很难被液态金属弥合，因此，在该 阶段产生热裂的几率最大。此时合金 处于固液态。 第四阶段：合金处于固态，在固相线 附近合金的塑性好，在应力作用下， 很容易发生塑性变形，形成裂纹的几 率很小。
液膜理论
利用被润湿的玻璃板之间的液膜来推测表面张力的作用。
13
用垂直于玻璃板平面的拉力使一个玻璃板和另一个玻璃板脱 开，为了把液膜拉断，所需之力为：
铸件热裂预测研究进展
铸件热裂预测研究进展朱圣焱;荆涛【摘要】简述了铸件热裂的形成机理,重点介绍了铸件热裂预测的研究方法和发展趋势,基于流变学模型的热裂数值模拟是一个很有意义的研究方向之一.【期刊名称】《大型铸锻件》【年(卷),期】2007(000)004【总页数】3页(P1-3)【关键词】热裂;数值模拟;流变学模型【作者】朱圣焱;荆涛【作者单位】清华大学机械工程系,北京,100084;清华大学机械工程系,北京,100084【正文语种】中文【中图分类】TG245前言热裂纹是铸造生产中最严重的缺陷之一，它一直制约着铸造产品质量的提高。
20世纪初，铸造工作者就开始研究热裂纹的形成机理，在大量研究的基础上，已提出强度理论、液膜理论、综合理论、晶间搭桥理论等几种不同的理论来阐述热裂纹的形成机理。
自从20 世纪60 年代初计算机技术应用于铸造领域以来，铸造过程温度场、流场的数值模拟等技术都已经得到充分的发展。
研究工作者也一直进行着对热裂纹预测的尝试，但是由于热裂纹的产生涉及到合金成分、浇注工艺、工艺设计、铸件形状、铸型条件等诸多方面的影响，所以虽然热裂纹的预测取得了一些进展，但是仍然没有一种判据能够定量准确的预测热裂纹。
本文主要介绍铸件热裂纹预测已取得的成果和可能的发展趋势。
1 铸件热裂的形成机理热裂纹是在凝固温度范围内、邻近固相线时形成的。
形成机理目前流行的两种理论为液膜理论和强度理论[1]。
当然还有综合理论、晶间搭桥理论[2]等理论，这里不一一详述。
1.1 液膜理论铸件冷却到固相线附近时，晶体周围会形成液膜。
如果铸件收缩产生应力，而应力又足够大时，液膜开裂，形成晶间裂纹。
因此，液膜理论认为，热裂纹的形成是由于铸件在凝固末期晶间存在液膜和铸件在凝固过程中受到拉应力共同作用的结果。
液膜是产生热裂纹的根本原因，而铸件收缩受阻是产生热裂纹的必要条件。
1.2 强度理论铸件在凝固后期，固相骨架已经形成并开始线收缩，由于收缩受阻，铸件中产生应力和变形。
铸件缺陷(砂眼、裂纹)学习
铸件缺陷（砂眼、裂纹）学习一、砂眼砂眼是铸件内部或表面存在着砂粒，主要是浇注前型腔内的散砂未清理干净或浇注过程中铸型被损坏面造成的。
防止铸件产生砂眼的主要措施有：（1）浇注系统的开设不应使型腔和砂芯被冲坏，合箱工作应细致，合箱后要防止脏物落入铸型内。
（2）为了提高型壁或芯壁的表面强度，可以适当地提高紧实度，但应力求均匀。
（3）适当增加粘结剂的加入量，以提高型砂的强度。
（4）砂型中的细薄和尖角部分，合箱时容易损坏或被金属液流冲坏，为此应予以加强。
二、裂纹按产生裂纹的温度范围，裂纹可以分为热裂、冷裂两种。
1、热裂：热裂是铸件处于塑性变形的状态下产生的。
由于铸件处于高温状态，热裂纹的表面被严重氧化，无金属光泽，这种裂纹沿晶粒边界通过，故裂纹弯曲而不规则。
热裂又分为外裂和内裂两种。
铸件外裂，裂口从铸件的表面开始逐渐深入铸件的内部，而且愈深入内部愈狭窄，外裂较容易产生在铸件转角处或壁厚突变处，一般肉眼可见。
内裂通常产生在铸件最后凝固部位，有时出现在缩孔的附近，裂口表面很不规则，常有许多分叉。
热裂产生的基本原因是，金属液在接近凝固温度时，铸件要产生一定量的收缩，当铸件或凝固层的收缩受到阻碍时，铸件或凝固层就会出现拉应力，当拉应力超过铸件或凝固层的强度极限时，铸件或凝固层就会被拉裂。
防止热裂的措施有：（1）改善铸件结构。
尽可能使铸件壁厚均匀，使铸件各部分同时凝固，减少热应力。
尽可能避免铸件壁十字相交，尽可能减小各断面壁厚的突然改变，以免产生应力集中现象。
（2）提高铸型的退让性。
为了防止薄壁或中等壁厚的铸件产生裂纹，主要的措施之一是降低型砂和芯砂的高温强度，提高退让性。
在型砂和芯砂中加入退让性好的材料，使铸件和箱挡保持较大的距离，收缩量较大的铸件，可在铸件与箱挡间做出退让空腔等。
（3）合理的工艺设计。
合理布置内浇道，可让金属液从多处注入铸型，从而减少铸件内的热应力，可用冷铁调节铸件各部分的冷却速度，可在铸件的转角，壁的交接处设置防裂筋以增加其抗裂能力。
热裂专业教案
铸件在两壁交接处的内角散热困 难，先凝固的两壁开始收缩产生 拉应力，而内角温度还在固相线 附近，固相的结合力还相当薄弱， 导致产生热裂。
学习材料
10
工艺不当引起热裂 p255案例7.13
合金钢板形铸件，使用4个内浇道浇注。由于内浇道先于铸件凝固，阻碍
后凝的铸件本体的收缩，导致形成热裂。
学习材料
11
材料成形原理
——液态成形原理
7 伴随凝固与冷却过程产生的现象
7.1 由液态至常温的体积变化 7.2 缩孔与缩松 7.3 在固相线附近温度区间形成裂纹 7.4 冷却过程产生的内应力 7.5 凝固过程中的气体问题
学习材料
2
7.3 在固相线附近温度区间形成裂纹
• 在固相线温度附近产生裂纹，是一种常见的铸造缺陷 ，称为热裂。出现在铸件外外表的称为外热裂，出现 在铸件内部的称为内热裂。
• 纯金属凝固时热裂倾向不大。 • 在肯定温度下凝固，它的凝固壳层同意产生肯定
的滑移，晶体间的强度足以抵抗阻碍收缩形成的应 力。
• 合金的凝固温度范围越宽，热裂倾向越大。 • 热裂倾向还取决于初次枝状晶结晶完成后剩余的液
相的含量，液相越少，热裂倾向性越大。如果剩余 的液相比较多，热裂纹可能被液相回填。
• 实验确定，当钢中硫和磷含量增 多时，产生热裂的温度降低，移
至平衡图固相线以下。
碳钢形成热裂时的温度
• 非平衡凝固和杂质都使平衡图的 固相线下移，因此不能确定热裂
生成是在凝固结束前或后。实验
只能证明，热裂形成在固相线温 度附近。
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8
热裂形成原因
有两种情况会产生热裂：
i〕晶体在超过其强度极限的应力下开裂
双金属离心铸造缸套的裂纹缺陷 p255案例7.14
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2020/8/4
1、液膜理论
液膜理论认为，热裂纹的形成是由于铸件在凝固末期晶10 间存在液膜和铸件在凝固过程中受拉应力共同作用的结果。 液膜是产生热裂纹的根本原因，而铸件收缩受阻是产生热裂 纹的必要条件。
在铸件凝固过程中，为什么在“液膜期”合金产生热裂的可能性最大？可以用合金的 凝固过程加以解释。
（1）外观特征：裂口外观形状曲折而不规则、不光滑；裂口表面呈氧化色(铸钢件 近似黑色，铝合金呈暗灰色)；当铸钢件缓慢冷却时，裂口的边缘尚有脱碳现象。
（2）微观特征：裂纹是沿晶界产生和发展。
根据裂口的形状、颜色的特征，证明裂缝是在高温下形成的，故这种裂缝称为热裂。
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若此时有拉应力存在，产生裂纹，裂纹能
被液体充填而愈合。此时合金处于液固态，
10-8
也不产生裂纹。
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2020/8/4
§10-2 热裂形成的温度范围及形成机理 5
一、热裂形成的温度范围
热裂是在凝固温度范围内邻近固相线时形成的，或者 说是在有效结晶温度范围区间形成的。此时合金处 在固液态，故又称结晶裂纹。
图为采用x射线照像法测定碳钢铸 件形成热裂纹的温度范围。
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§10-2 热裂形成的温度范围及形成机理
通过分析热裂纹断口形貌 也可推断热裂纹的形成温度范 围。在扫描电镜下观察，在热 裂纹断口处可以看到树枝晶， 枝晶表面有层皱褶(如图)。据 此可推断，热裂纹是在固相线 以上形成的，此时，晶间存在 液体，在拉伸作用下，枝晶彼 此相互移动，牵动晶间液膜变 形、开裂，在凝固收缩时，变 形的液体形成皱褶。
图中“O”为产生热裂前一测试时 刻所记录的温度，“x”为在x射线底片 上发现裂纹时的温度，热裂纹产生的温 度应在O－x之间。
图中O－•是硫含量偏高的情况
－▲是磷含量偏高的情况
由图可知，碳钢产生热裂的温度是
在固相线附近，且随着硫、磷含量的增
加而降低。
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§10-2 热裂形成的温度范围及形成机理
必须指出，在铸造条件下， 合金的结晶都偏离平衡条件。 合金在非衡条件下结晶，低熔 点物质被排斥到晶界上，形成 晶界偏析，使实际固相线温度 下移，低于平衡固相线温度。 例如，在碳钢中，当硫含量较 高 时 ， 硫 将 与 Fe 和 FeO 形 成 熔 点仅为940℃的三元共晶存在于 晶界上。因此，产生热裂的温 度有时虽在平衡固相线以下， 但不能认为它是在合金完全凝 固以后形成的。
固终了的温度。 9-2
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二、 热裂形成机理之液膜理论
9
合金在凝固期间的热裂倾向性与合金结晶末期 1、液膜理论 晶体周围的液体性质及其厚度密切相关。
当铸件凝固到固相线附近时，晶体周围还有少量未凝固的液 体，构成一层液膜，初期较厚，温度越接近固相线，液膜越薄， 当铸件全部凝固时，液膜即告消失。合金中若含有较多的低熔点 化合物，如钢中的S、P，会使实际固相线下移，扩大凝固温度范 围，液膜存在时期相应延长，并相应增加凝固期间的收缩量。在 结晶末期，当铸件收缩因 某种原因受到阻碍时，晶体 和晶间液膜在应力作用下将 被拉伸，当应力足够大时， 液膜就会开裂，形成晶间裂 纹。
对于任何一类铸件，是不允许有裂缝存在 的。铸件的外裂可以从表面看出，如铸造合金 本身的焊接性能好，经焊补后可以使用。内裂 隐藏在铸件内部，不易被发觉，他的危险性更 大，往往由于事先未被发现，在使用中造成严 重事故。因此，了解热裂的形成过程，对于在 生产中如何防止热裂的产生具有重要的意义。
铸件的内裂（透视）
第十章
材料加工工程 林晓娉
2020/8/4
2
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。本章将就热裂的产生机理， 缓解（或消除）措施进行讲解。 §10-1 铸件热裂的概述 §10-2 热裂形成的温度范围及形成机理 §10-一内容
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§10-2 热裂形成的温度范围及形成机理
综上，可以认为，
热裂纹是在凝固温度范
围内、邻近固相线时形
成的，或者说是在有效
结晶温度范围形成的。凝固终了的温度
所谓有效结晶温度范
线收缩开始温度
围，其上限指合金形成
枝晶骨架，线收缩开始
温度，其下限为合金凝
以成分为C0的合金为例，将其结晶过程分 为4个阶段
第一阶段：合金处于液态，可以任意 流动，其收缩系数没有明显变化。不 会产生热裂。
第二阶段：温度降低，结晶出固相，初期
固相枝晶未连成骨架，能同液体一起自由
流动，合金具有很好的流动能力，也不产
生热裂纹。随着温度下降，相邻晶粒开始
接触，但液体在晶粒之间仍可以自由流动，
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2020/8/4
§10-1 铸件热裂的概述
3
热裂纹是铸钢件、可锻铸铁件和某些轻合金铸件生产中最常 见的铸造缺陷之一。合金的热裂性是重要的铸造性能之一。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、热裂的特征（如图所示）：
2020/8/4
2、热裂的分类 热裂分为外裂和内裂。
4
（1）外裂： 是在铸件表面可以看见的热裂称为外裂，裂口从铸
件的表面开始，逐渐延伸到铸件内部，表面宽而内部窄，裂口 有时贯穿铸件整个断面。外裂常产生在铸件的拐角处、截面厚 度有突变或局部冷凝慢且在凝固时承受拉应力的地方开始。
（2）内裂：隐藏在铸件内部的裂纹为内裂。通常产生在铸件内 部最后凝固的部位，也常出现在缩孔附近或缩孔尾部。裂口的 表面很不规则，常有很多分叉（如图所示）。在通常情况下内 裂不会延伸到铸件表面，故人们不易发觉，需用X射线、超声 波探伤等检查。由于内裂与外界隔开，故氧化程度不如外裂明 显。