热裂形成原理

1二、液膜理论我看了你理论之后，我有些疑问？热裂非常容易产生，是不是一般铸件都会产生热裂纹？一般生产的铸件，百分之九十九不出现热裂，否则，铸造这门工艺也就不用存在了。这个理论有缺陷，不完全合理。进一步提出新的理论和新的解释。试验研究工作表明，合金在凝固期间的热裂倾向性与合金结晶末期晶体周围的液体性质及其厚薄密切相关。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，温度愈接近固相线，液膜愈薄，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，如钢中的硫和磷，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，晶体和晶间液膜内将产生应力。此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，形成晶间裂缝（图10-11）。晶间裂缝的形成是一个复杂的过程，它决定于许多变化的因素，在这些因素中，晶间液膜的表面张力和液膜厚度具有很大意义。利用被润湿的玻璃板之间的液膜则不难想象出表面张力的作用，这样的玻璃板如果是彼此相对地错移，则容易被分开。但如果使一个玻璃板和另一个脱开，而使用之力又是垂直玻璃板的平面，那么为了把液膜拉断，所需之力为：bFP2--------------------------（10-1）σ-----液体表面张力N/mF------玻璃板同液体接触的表面积，m2；b-------液膜的厚度，m；从式（10-1)可见，把液膜拉断之力与液体的表面张力，固体同液体的接触面积成正比，而与液膜的厚度成反比。根据上式可以看出晶间液膜的表面张力和其厚度对铸件抗裂性的影响。液膜的表面张力与合金的化学成分和铸件冷却条件有关。液膜厚薄决定于晶粒大小，晶粒愈细，由于晶粒表面积的增加就降低了单位表面上的液膜数量和其厚度，故增加了铸件的抗裂性。因此，可以推定，凡是能够降低晶体和液膜之间表面张力的表面活性元素，都能够促使合金抗裂性下降。钢中硫、磷、氧都属于表面活性元素，故在一定范围内，随着其含量增加，钢的抗裂性也随之下降。由这个公式计算，所需要的力P非常大，因此，一般情况下，不会出现，但是，如果晶粒粗大，有表面活性元素等，这种情况下才有可能出现。这个理论，与前面的理论相比，有一定的合理性。因此，也可以成为一家之言。科学研究就是这样，百家争鸣，百花齐放。前面两个理论都是从力的方面进行分析，有没有从其它方面进行分析的，咱们搞材料的，力，功。我能不能从功的方面进行解释？三、裂纹形成功理论2这一理论认为，热裂的产生通常要经过裂纹的形核和发展两个阶段。根据理论分析，裂纹的形核容易发生在固相晶粒相交的液相汇集部位。由于受到结晶过程溶质再分配而引起的晶界偏析（包括晶界夹杂物）的影响，液相汇集部位的双边角。也会因润湿性不同而在0~180º之间变化（参阅图8一13）。当A、B、C三个晶粒受到外力作用时，液相汇集部位由于应力集中将出现微小裂纹（图10一12）。根据物理化学的表面现象，晶界被润湿时，就单位面积而言，晶界裂纹的形成功可用下式表示：SSSLA21----------------------（10-2）SS-------------固相与固相界面的界面张力SL--------------固相与液相界面的界面张力根据液相双边角与界面张力（图10-13）可以建立下述关系：SG、SS、SL分别为固体与空气，固体与固体，固体与液体之间的表面张力：)510()12cos1()410(2cos2)310(22cos1SSSSSLSLSSA3取铜和铝的SS各为0.6和0.4N/m，可以为这两种金属建立裂纹形成功与液体双边角之间的关系。由图10-14可见，液体双边角θ越小，裂纹形成功越小，越容易表现出脆性作用。铜中有液体铅存在时，液体铅的双边角θ=90º，铜与空气之间的界面张力SG=1.8N/m而铜的晶粒之间的界面张力SS=0.6N/m,当θ=90º时，固体铜和液体铅之间的界面张力：SL=0.43N/m如果两个铜粒之间未被液体分隔，那么裂纹形成功：321SSSGAN/m如果被液体铅分隔，则裂纹形成功为：SSSLA210.26N/m可见，晶粒之间存在液体时，裂纹形成功将明显下降。2.5.3影响热裂形成的因素（1）铸造合金性质的影响：a）有效结晶温度范围越大，则产生热裂的可能性越大。有效结晶温度范围越大，则在此温度范围内合金的绝对收缩量也越大，铸件内产生的应力也越大，因此，合金形成热裂的倾向性也越大。反之也然。凡是增加有效的结晶温度范围的，都能增大热裂的可能。上图的分析：二元共晶合金。平衡条件和铸造条件。有效结晶温度区间和裂纹产生的倾向的关系。举例铸钢：实际生产中，钢中不可避免的有硫的存在，硫—硫化铁—铁形成低熔点共晶产物，熔点在935度，使固相线下移，扩大了有效结晶温度区间，使钢的热裂倾向增加，当钢中硫含量高时，容易在钢中产生热裂纹，特别是厚大铸件。为限制硫的有害作用，规定：高级钢：0.02~0.03%，中级：0.03~0.045%，普通：小于0.055%。4另外，各种氧化物如氧化硅、氧化铁、氧化锰，氮化物，在结晶过程中吸附在晶粒的表面，将大大削弱晶间的联系，促使热裂的形成。b）凡是能够减小合金在有效洁净范围区间绝对收缩量的元素或相变，都能降低形成热裂的倾向。灰铸铁、球铁，在结晶过程中有石磨膨胀，因此不容易产生裂纹，但可锻铸铁铸铁和铸钢件、白口铸铁在结晶过程中没有石墨析出，因此，容易产生热裂。C）各种合金元素对热裂的形成都具有一定的作用，具体不写了。有兴趣，自己可以查有关资料。（2）铸型性质的影响铸型的退让性：退让性好，铸件内产生的应力小，因此，不容易产生热裂。反之，铸件容易产生热裂。铸型退让性的变化对热裂的影响：在容易产生热裂的有效结晶温度区间内的铸型的退让性的大小。即在铸件开始凝固时的铸型的退让性。退让性的关系：金属型干型水玻璃砂型树脂砂型粘土砂湿型（3）浇注条件的影响浇注温度：浇注速度：有影响，但影响不大，同时影响比较复杂，因此不给与严格的讨论。浇口的引入位置：尽量降低对铸件收缩的阻碍作用。（4）铸件结构厚薄不均匀，结构不合理第二个图改成直角，最能说明问题。2.6防止铸件产生裂纹的方法2.6.1合金成分、熔炼工艺（1）在不影响铸件使用性能的前提下，可适当调整合金的化学成分，缩小凝固温度范围，减少凝固期间的收缩量或选择抗裂性较好的接近共晶成分的合金。（2）对碳钢和合金钢进行微合金化和变质处理，例如：假如：稀土、钒、钛、铌等，可使铸钢件晶粒细化，减少非金属夹杂，改变夹杂物的形态和分布状况，改变了钢的一次结晶过程，提高钢的抗裂性能。（3）改进钢的脱氧工艺，加强脱氧处理，减少氧化物夹杂。5（4）对钢液进行真空处理，减少钢中的气体含量，从而减少非金属夹杂，从而提高钢的抗热裂能力。（5）控制钢的结晶过程，尽量细化晶粒。如超声波振动结晶、旋转磁场结晶等。2.6.2造型工艺方面。（1）增加铸型的退让性，减少铸型对铸件的收缩阻力。（2）改进金属引入铸型的位置和方法，减少浇注系统对铸件收缩的阻力。（3）采用冷铁或特种型砂，加强铸件热节部位局部的冷却速度。从而消除热裂。（4）设置防裂筋2.6.3浇注条件方面浇注薄壁件，为了减缓凝固速度并减少热裂倾向，通常要求较高的浇注温度和较快的浇注速度，对于厚壁件，则相反。2.6.4铸件结构（1）截面相交的部位，不能做成直角，而应该做成圆弧过渡。（2）应避免做成十字交叉的截面，应将十字交叉的筋错开。（3）必须在铸件上采用不同厚度的截面时，应该尽量降低铸件厚薄不同的部位的收缩的相互影响。对于复杂的铸件，可以分成几部分制作，然后采用焊接或机械联接的方法组装成为一个整体。今年的课程全部结束了。时间有限，考试内容主要是咱们上课讲得东西，按照课件进行复习，没有讲得肯定不考。大作业：实际生产中来的具体例子：合金钢：做作业。另外，还有一次试实验，应力框试验，主要是看一下铸件内部由于璧厚的不同是如何产生内应力的，做实验。赵靖宇老师的电话：1393842366563887502