热裂的形成机理及待深入研究

（一）形成热裂的温度范围

有两种不同的见解：一种认为热裂是在凝固温度范围内而临近于固相线时形成的，此时合金处于固—液状态；另一种认为热裂是在金属凝固以后，即稍低于固相线温度时形成的。图11-29为碳钢热裂温度范围的研究结果之一。在铸件凝固过程中，一面测定试样的温度变化，一面摄取X射线照片。每隔一定时间记录温度同时更换底片。对w C=0.03%～1.0%的碳钢进行了测定。图上○（或△）为产生热裂前一测定时间所显示的温度，“×”为X射线底片上出现热裂纹时的温度。实际热裂温度范围在○—×之间。图中△—▲是含磷偏高的情况。

采用边连续测温边连续测定试棒抗裂拉力的方法（见图11-30），所获得的碳钢热裂温度范围如图11-31所示。

图11-29　碳钢的热裂温度范围

图11-30　热裂试样中抗裂力和温度的动态图

（碳钢，w C=0.18%，浇温1600℃）

两个试验都表明：不论含碳量多少，碳钢产生热裂的温度部在固相线附近。图11 29中热裂的试验点分布在Fe-C平衡图的固相线上下，当钢中硫和磷含量偏高时，热裂温度便降到平衡图的固相线以下；图11-31的温度试验点，则更进一步证明，碳钢的热裂发生在非平衡状态图（虚线所示）的固相线温度或稍高于此的温度下。应指出，在铸造条件下，无论是试棒或铸件，合金的结晶条件都偏离了平衡条件。合金在实际的非平衡条件下结晶时，低熔点的溶质（如磷、硫）或化合物将被排斥到晶界上，形成晶界偏析，使实际固相线温度下移，它低于平衡固相线温度。因此应以非平衡的实际固相线温度作为判别热裂形成温度的依据。因而可以认为：热裂形成温度范围在非平衡的线收缩开始温度到非平衡的固相线温度区间内，该区间被称为“有效结晶温度区间”或“有效结晶温度范围”。

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图11-31　碳钢的热裂温度和拉裂力

○—非平衡液相线温度；●—热裂温度；△▲—钢中w Mn=0.8%；□■—钢中w Mn=0.4%；▲■—浇温1600℃；△□—浇温1550℃

图11-32　合金强度、延伸率和温度的关系

（二）热裂形成机理

1.强度理论

合金强度σb、延伸率δ和温度的关系如图11-32所示。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该温度下合金的强度极限或延伸率时，铸件就会开裂。对合金高温性能的研究表明：在固相线温度附近，合金的延伸率极低，呈脆性断裂，该温度区称为脆性区。合金处于脆性区的时间越长，热裂倾向越大。实验证实，在接近固相线温度时，合金的强度也极低。例如，w C=0.3%的碳钢，室温时强度极限σb＞48×107 Pa，延伸率δ＞17%；但在1410～1385℃时，强度极限仅为（0.075～0.215）×107 Pa，δ=0.23%～0.44%。

2.液膜理论

液膜理论认为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有关。当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，构成一层液膜。温度越接近固相线，液膜越薄。铸件全部凝固时液膜消失。铸件在凝固过程中必然经历液膜由厚变薄以至消失的液膜期。在液膜期内，如果铸件收缩受阻，晶体周围的液膜就会被拉伸，应力足够大时，液膜被拉长，超过一定限度，液膜断裂形成热裂（见图11-33）。

关于热裂的形成温度和机制还有其他理论和解释，有待于深入研究。