第五节 热裂纹

第十一章 凝固缺陷与控制
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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
第十一章 凝固缺陷与控制
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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
第十一章 凝固缺陷与控制
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1、凝固裂纹
金属凝固结晶末期， 固相线附近发生的晶间开 金属凝固结晶末期，在固相线附近发生的晶间开 结晶末期 裂现象，称为凝固裂纹或结晶裂纹。 裂现象，称为凝固裂纹或结晶裂纹。其形成与凝固 凝固裂纹 末期晶间存在的液膜有关， 末期晶间存在的液膜有关，断口具有沿晶间液膜分 晶间存在的液膜有关 离的特征。裂纹无金属光泽，有明显的氧化色彩。 离的特征。裂纹无金属光泽，有明显的氧化色彩。 氧化色彩
σ
微裂纹
A
A
τ
A C 裂纹 B
τ τ
7
τ τ σ
τ B
B
第十一章 凝固缺陷与控制
二、热裂纹的形成机理
液固状态 液态金属 凝固结晶 偏析 固液状态 脆性温 度区间
低熔点共晶 液态薄膜
拘束
凝固 裂纹
凝固收缩
应力与应变
第十一章 凝固缺陷与控制
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固相
固液
液固
液相
塑 性δ
a T'S TS TB
b T'H TL 温度T 温度
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奥氏体
液态薄膜
奥氏体
铁素体
a)
b)
图11-55 δ相在奥氏体基底上的分布 相在奥氏体基底上的分布 a）单相奥氏体 b）δ＋γ ） ） ＋
第十一章 凝固缺陷与控制 19
（二）工艺因素对热裂纹的影响
焊接、 焊接、铸造 工艺参数 温度场分 布及变化 凝固组织形态 与偏析程度 凝固 裂纹
元素，并能加剧硫﹑ 元素，并能加剧硫﹑磷及其他 善硫化物的形态， 善硫化物的形态，使薄膜状改
钢中碳含量增加时， 钢中碳含量增加时 的加 加结晶温度区间， ， Mn的加 T/ 加结晶温度区间，并且随着碳 ℃ 入 量 也要 入量 也 要 ， 含量的增加，初生相可由δ相 含量的增加相 应 增 加 。 当 wC＜ 0.16％ 时 ， wMn/wS＞25即可防 ％ 即可防 转为γ相。由于硫和磷在γ相 止热裂纹的产生。 但是当 wC 止热裂纹的产生。 相中低很多， 中的溶解度比在δ相中低很多， ＞0.16％（ 包晶点 ） 时 ， 磷的 ％ 包晶点） 如果初生相为γ相，则析出的 有害作用将超过硫， 有害作用将超过硫，此时再增 硫和磷就会富集于晶界， 硫和磷就会富集于晶界，从而 加wMn/wS比值对防止热裂纹已 增加凝固裂纹倾向。 增加凝固裂纹倾向。 无意义。 无意义。
液化裂纹
第十一章 凝固缺陷与控制
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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， 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， 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（ 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。 粒相交的顶点），就会因应变集中导致裂纹。空穴开裂理论 ），就会因应变集中导致裂纹 认为晶界滑动和晶界迁移同时发生， 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。 界台阶，进而形成空穴并发展成微裂纹。 形成空穴并发展成微裂纹
TS－固相线 TB－脆性温度区 9
图11-47 金属凝固过程中的脆性温度区
TL－液相线 第十一章 凝固缺陷与控制
越大，收缩应力的作用时间就越长， 脆性温度区 TB 越大，收缩应力的作用时间就越长， 产生的应变量越大，形成热裂纹的倾向越大。 产生的应变量越大，形成热裂纹的倾向越大。 T/℃ ℃
TL TH
R
=
E δ L
l F F
σ = m⋅R
m 是转换系数，与钢 是转换系数， 的线胀系数、比热容、 的线胀系数、比热容、 接头坡口形式和焊接方 法等因素有关。 法等因素有关。
δ L
第十一章 凝固缺陷与控制
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液态金属成形中的结晶裂纹倾向试验
φ4直径 J422、J507 和 J427-FeS 直径 、 （自制）焊条 自制） 各4~6根 根 200×120×12mm低碳钢板 × × 低碳钢板 焊接电流： 焊接电流：100A；电弧电压：24V； ；电弧电压： ； 焊接速度：150mm/min。 焊接速度： 。 焊后约10分钟将试件从试验装置 焊后约 分钟将试件从试验装置 分钟将试件从 中取出。试件冷却到室温后， 中取出。试件冷却到室温后，将 试件沿焊缝轴向弯断， 试件沿焊缝轴向弯断，观察断面 上有无裂纹并测量裂纹长度。 上有无裂纹并测量裂纹长度。 按右式计算裂纹率： 按右式计算裂纹率：
结构形式与 拘束程度
结晶应力 与应变
第十一章 凝固缺陷与控制
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（三）防止热裂纹的措施
以上两类因素中，哪些因素可以进行控制呢？ 以上两类因素中，哪些因素可以进行控制呢？
总体来看：冶金因素的影响在铸造工艺过程中 总体来看： 比较容易实现控制， 比较容易实现控制，而在焊接工艺过程中只能通 过对焊材与焊接工艺参数选择来限制热裂纹。 过对焊材与焊接工艺参数选择来限制热裂纹。
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， 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。
第十一章 凝固缺陷与控制 15
合金系 Fe-S Fe-P Fe-Si Fe-Sn Fe-Ti Ni-S Ni-P Ni-B Ni-Al Ni-Zr Ni-Mg
共晶成分（质量分数/%） 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，Ni3P（P11） ， （ ） Ni3P，Ni2P（P20） ， （ ） Ni，Ni2B（B4） ， （ ） Ni3B2，NiB（B12） （ ） γNi，Ni3Al（Ni89） ， （ ） Zr，Zr2Ni（Ni17） ， （ ） Ni，Ni2Mg（Ni11） ， （ ）
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低氢型
1. 药皮组成物用量范围 （％） 硅酸盐 碳酸盐 二氧化钛 氟化物 铁合金 <12 25-55 0-5 15-30 15-25
第十一章 凝固缺陷与控制
Al – Cu 合金相图
第十一章 凝固缺陷与控制
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热处理强化铝合金焊缝中的结晶裂纹
第十一章 凝固缺陷与控制
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本节结束
第十一章 凝固缺陷与控制
凝固温度区增大 脆性温度区范围增大 凝固裂纹的倾向增大 其他类型合金
裂 纹 倾 向 /% wB /% 温 度 /℃ ℃
wB /% 第十一章 凝固缺陷与控制 13
温 度 T/ ℃
a） ）
b） ）
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c） ）
d） ）
图11-53 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 ） ） ） 虚线－ 虚线－凝固裂纹倾向的变化
第十一章 凝固缺陷与控制
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在应力与致脆因素的共同作用下，使材料的原 在应力与致脆因素的共同作用下， 子结合遭到破坏， 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， 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 各种裂纹，如热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、 撕裂和应力腐蚀裂纹等。 撕裂和应力腐蚀裂纹等。裂纹是可以引发灾难性 事故的、危害最大的一类缺陷。 事故的、危害最大的一类缺陷。
第十一章 凝固缺陷与控制 14
d）完全不固溶 ）
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。 影响热裂纹产生的重要因素。 是钢中最有害的杂质元素， 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 加热裂纹倾向。它们既能增大凝固温度区间， 素形成多种低熔点共晶，又是钢中极易偏析的元素。 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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第十一章 凝固缺陷与控制 10
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
液态金属成形中的结晶裂纹倾向试验
第十一章 凝固缺陷与控制
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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
第十一章 凝固缺陷与控制
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1．凝固温度区的影响
C
F
∑ 1F = × 100 % ∑ LF
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第十一章 凝固缺陷与控制
第十一章 凝固缺陷与控制
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结构钢焊条药皮配方
钛钙型
1. 药皮组成物用量范围（％） 药皮组成物用量范围（％） 硅酸盐 碳酸盐 二氧化钛 钛铁矿 铁合金 有机物 2. 熔渣碱度 25-40 15-22 35-45 0-25 10-15 0-3 0.55-0.80 2. 熔渣碱度 1.6-2.2
第十一章 凝固缺陷与控制
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焊接中拘束度的定义为平板对接接头单位长度焊缝 由公式可见： 大或板厚δ大 由公式可见：刚性大（弹性模量 E 大或板厚 大） 在根部间隙产生单位长度位移所需要的力。接头的 的焊接结构，拘束度与拘束应力高， 或拘束距离 L 小的焊接结构，拘束度与拘束应力高， 拘束度与拘束应力大小，可近似地用经验公式计算： 拘束度与拘束应力大小，可近似地用经验公式计算： 裂纹倾向大。 裂纹倾向大。
第十一章 凝固缺陷与控制
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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， 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 在焊接高温下发生重新熔化， 剧下降，在拉伸应力作用下沿奥氏体晶界开裂而形成的。 剧下降，在拉伸应力作用下沿奥氏体晶界开裂而形成的。
共晶温度/℃ 共晶温度/℃ 988 1050 1260 1200 1120 1340 645 880 1106 1140 990 1385 961 1095
第十一章 凝固缺陷与控制
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碳在钢中是影响热裂纹的主要 锰具有脱硫作用， 锰具有脱硫作用，同时也能改
温 变为球状，提高金属的抗裂性。 变为球状，提高金属的抗裂性 元素的有害作用。碳能明显增 。度 元素的有害作用。
δmin
TB内金属的塑 越低， 性δmin越低， 越低 产生热裂纹的 倾向越大。 倾向越大。
δ＝Φ(T)
TB TS TS'
1
2 ε＝ f (T)
3 ε,δ
TB 内的应变增长率 ∂ε/∂T 越大，越容易产生裂纹。 内的应变增长率 越大， 图11-48 产生凝固裂纹的条件越容易产生裂纹。 ε－ 所对应的 ∂ε/∂T 为临界应变增长率， － － 为临界应变增长率， 线2应变 δ－塑性 TL－液相线 TS－固相线 用“CST” TB－脆性温度区 TH－TB上限 TS'－TB下限 － 表示。 越大，材料对热裂纹敏感性越小。 表示。CST 越大，材料对热裂纹敏感性越小。
wC/%
图11-54 Fe-C 相图的高温部分 17
第十一章 凝固缺陷与控制
3．凝固组织形态的影响 ．
晶粒的大小﹑ 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， 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。 生热裂纹的倾向就越大。 金属中加入某些合金元素（如Ti、Mo、V、Nb 金属中加入某些合金元素（ 、 、 、 等）使晶粒细化，既可破坏液态薄膜的连续性，又 使晶粒细化，既可破坏液态薄膜的连续性， 可打乱枝晶的方向性，从而提高金属的抗裂性。 可打乱枝晶的方向性，从而提高金属的抗裂性。