合金热裂的凝固力学判据

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1995.01.010 第17卷第1期 北京科技大学学报 Vol.17 No.1 1995年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.1995 合金热裂的凝固力学判据 张家泉) 金山同) 于震宗2) 林家骝2) )北京科技大学冶金系，北京1000832)清华大学机械工程系，北京100084 摘要对当前已提出的有关热裂判据进行了分析；基于实验结果及力学强度理论揭示了传统热裂 应变理论的不足，提出了热裂为本质塑性断裂及热裂势的概念，并建立了其凝固力学判据， 关键词合金，凝固，热裂/热裂势，判据 中图分类号TG213,TG115.52 Solidification Mechanics Criterion for Casting Hot Tearing Zhang Jiaquan)Jin Shantong)Yu Zhengzong2)Lin Jialiu2) 1)Department of Metallurgy,USTB,Beijing 100083,PRC 2)Department of Mechanical Enginecring,Tsinghua University ABSTRACT The hot tearing criteria presented up to now have been comprehensively analysed in the paper.Based on the experimental results and the analysis through the mechanical strength theories,the unreasonable aspect of the customary strain theory of hot tearing is revealed.It is pointed out that the hot tearing is a kind of plastic frac- ture in essential.The hot tearing potential is defined,and the solidification mechanics criterion is put forward consequently. KEY WORDS alloy,solidification,hot tearing/hot tearing potential,criterion 合金的凝固热裂是冶金及铸造等工业生产中的重要缺陷之一，其不仅直接影响产品质 量、给生产造成巨大经济损失；而且对于近终形的凝固产品，在服役过程中其内部隐藏的热 裂纹还可能导致严重的工业事故，为此，多年来热裂的研究受到人们的极大重视·然而，由 于对热裂的机制认识及其预测技术至今还很不成熟，当前生产中热裂问题仍然十分常见，由 于在热裂温度范围合金断裂应变及延伸率极低，以往的研究从工程定性分析为主，认为热裂是 脆性断裂，并基于应变理论提出了大量的热裂判据，本文作者基于近年来从凝固热应力场角 度分析及预测热裂的需要，在分析现有工作的基础上，结合凝固工况的特点，对力学强度理 论及有关实验结果进行了综合分析，提出了不同的看法并建立了热裂的凝固力学判据， 1现有的热裂判据及其分析 50年代，Singer Pellini等l.]对二元合金(Al-Si,Pb-Sb及Al-Cu等)及碳钢热裂的 1994-05-10收稿第一作者男30岁博士后

第 71 卷 第 1期 北 京 科 技 大 学 学 报 1望巧 年 2 月 Jo u丁 n a 1 o f U ni v e rS ity o f S a e n c e a nd Te e h n o 1 o gy Be ji ni g V d . 1 7 N心 . 1 f功 . 1望巧 合金热裂 的凝 固力 学判 据 张 家泉 ’ ) 金山 同’ ) 于 震 宗 2 ) 林家马留 2 ) 1)北京科技 大学冶金系 , 北京 1侧X冶3 2) 清华大 学机械工 程 系 , 北京 1〕 ) 〕84 摘要 对 当前 已 提出的有关 热裂判据进行 了分析 ; 基于实验结果及力学 强度理 论揭 示了传统 热裂 应变理论的不足 , 提出 了热裂为本质 塑性 断裂及 热裂势的概念 , 并建立了其凝固力学判据 . 关健词 合金 , 凝固 , 热裂 / 热裂势 , 判据 中 圈分类号 T G Z13 , I U l l 5 . 52 S o li d 讯ca t i o n M ec ha in “ C r ite ir o n fo r C as t ing H o t eT a ir ng hZ a n g ij 叫 u a n l ) l ) 众p a rt n 笙泪 t 2) 块P art n r n t iJ n hS a n t傲g ’ ) uY Z 知叭9 20 ” 夕2 〕 L i n iJ a liu Z ) of M d a U I川岁 , sU T B , 决勺Ign l X( 幻83 , P R C o f M eC ha 拍司 E n 乡n e已n 飞 , ST i n hg us U in ~ i t y A B S T R A C T T h e h o t t e a r i n g c r it e r i a P res e n t e d u P t o n o w h a v e b e e n co m P r e h e n s i v e l y a n a l y s e d i n t h e P a P e r . B a s e d o n t h e e x Pe r ime n t a l re s u lt s a n d t h e a n a l y s i s t h r o u g h t h e me e h a n ica l s t r e n g t h t h e o r ies , t h e u n r e a s o n a b l e a s P e e t o f t h e e u s t o am r y s t r a i n t h e o r y o f ho t t e a r i n g 1 5 r e v e a l e d . I t 1 5 P o i n t e d o u t t h a t t h e h o t t e a r i n g 1 5 a k i n d o f P l a s t i c fr a e - t l f e In c r it e r i o n es s e n t i a l . hT e h o t t e a r i n g P o t e n t i a l 1 5 d e if n e d , a n d t h e s o lid iif ca t i o n me e h a n i es 1 5 P u t fo r w a r d co n s e q u e n t l y . K E Y W O R D S a ll o y , s o lid iif ca t i o n , h o t t e a r i n g / h o t t e a r i n g P o t e n t i a l , e r it e r i o n 合 金 的凝固 热裂是 冶 金及 铸造等 工 业 生 产 中 的 重 要 缺 陷之 一 , 其 不 仅直 接 影 响 产 品 质 量 、 给生 产造 成巨 大 经济 损失 ; 而且对于 近 终形 的凝固 产 品 , 在 服役 过程 中其 内部 隐藏 的热 裂 纹还 可 能导 致 严重 的工 业事 故 . 为 此 , 多 年来 热裂 的研究 受到 人们的极 大重 视 . 然而 , 由 于 对热裂 的机 制 认识及 其预测 技 术至 今还 很 不成熟 , 当前生 产 中热裂 问题仍然 十分 常见 . 由 于 在热 裂温 度 范 围合金 断 裂应 变及 延 伸率极 低 , 以 往 的研 究 从工 程定性分析为主 , 认 为热裂是 脆性 断裂 , 并基于 应变 理论 提 出 了大量 的热裂 判据 . 本 文作 者基于近 年来 从凝固热 应力 场角 度分 析及 预测 热裂 的需 要 , 在 分析现有 工作 的基础 上 , 结 合凝 固工况 的特 点 , 对力 学 强度理 论及 有 关 实验结 果 进行 了综合 分析 , 提 出了 不 同的看 法 并建 立 了热 裂 的凝固力学 判 据 . 1 现有 的热裂 判据及其分析 50 年 代 , S in g er P e lj 的i 等 [ ` , 2】对二 元 合 金 ( lA 一 is , P b 一 S b 及 lA 一 C u 等 ) 及 碳 钢 热 裂 的 19 9 4 一 0 5 一 10 收 稿 第一 作者 男 30 岁 博士 后 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1995. 01. 010

Vol.17 No.1 张家泉等：合金热裂的凝固力学判据 ,37· 系统研究奠定了长期以来从热裂形成温度及其高温力学特性分析热裂问题的基础.Pellini将 热电偶埋人试件中部，并用X射线照相及液淬等综合技术证实了热裂形成于合金的平衡 固相线附近，而且是沿枝晶液膜的分离，由此认为热裂与枝晶液膜的存在有关；由于合金在 完全凝固之前，强度极低，铸件的收缩变形将主要集中在温度较高的薄弱部位；并采用两端 约束的一维试件描述了集中变形在液膜区的形成过程，当其大于合金当时的极限应变时，热 裂产生，这便是著名的应变理论主要内容，以此为依据，Pellini甚至将包括焊接等热加工中 经常出现的各种高温裂纹都归结为与枝晶液膜的存在有关.60年代至今，对热裂的研究有 了进一步的认识2~引：由于金属晶界在高温下具有粘滞性，晶界区域的金属具有最大的点 阵不完整性，晶界金属的强度对温度敏感性比晶内大得多；这一特性使金属断裂随温度变化 具有两种基本形态，即沿晶断裂与穿晶断裂；这样便出现一个“等强温度”T。,温度高于 T。,对裂口的萌生与发展起主要作用的是晶界的粘滞性、晶界滑动以及空穴沿晶界的扩散、 凝聚等晶界行为，因而是沿晶断裂的断口特征；低于T。时，对断裂起主要作用的是沿晶粒 内晶面的滑移，因而产生穿晶断裂特征形态，因此，当前对热裂的一般定义为：发生在等强 温度以上，由高温晶界状态所决定的晶界弱化引起了沿晶开裂.可见，热裂既可能与晶间液 膜有关，也可能与上述的其它晶界弱化机理有关，但是凝固热裂形成于固相线T附近的高 温仍是大家共识1.由于工程上常以断裂时的塑性变形大小区分脆性断裂与塑性断裂；加之 合金在T,附近延伸率及断裂应变极低，因此，当前常将凝固热裂归属于脆性断裂，显然这 一结论也只有工程定性意义· 长期以来，关于凝固热裂的研究主要遵循上述应变理论，尤其是从集中变形及两端约束 法这一思路出发.基于集中变形的概念，雄谷等]还进一步采用中间带热节的棒形铸件来 研究热裂.至今，通过有热节或无热节的两端约束法研究，已先后提出大量的热裂判据，代 表性的有：雄谷用热节区变形量和合金临界变形量随温度的变化及其相对大小来判断热裂形 成；矾部等【)提出由合金高温力学性能决定的临界热裂参数与冷却条件决定的铸件热裂参 数的比较来分析热裂；或是用铸件中心部位冷却速度与外缘冷却速度之比建立热裂判据；此 外，Hansen]还提出以铸件热节区凝固层增大速度与铸件收缩速度之比作为热裂判据；以 及刘驰)用热节区长度与铸件长度之比来衡量其热裂趋势等，以上判据可以定性分析特定 凝固条件及力学工况的简单铸件，但是实际铸件或铸坯多处于复杂的应力状态，影响热裂的 因素也往往十分复杂，80年代以来，以热、力学模型为依据的凝固热应力场数值模拟技术 开始启动，从而为建立广泛适用的热裂分析技术提供了可能，但同时由于相关基础研究不足 的限制，常不得不过多地依赖于早期结构科学所建立起来的有关数据库及研究方法.] 此外对热裂的认识仍处于早期的定性结论基础上·存在的问题可分析归纳如下： 第一，尽管凝固热应力数值模拟目前还不得不回避一些亚微观问题，即从各向同性出 发，但仍应考虑凝固过程可能存在细观各向异性这一特点；凝固模拟输出是位移（或应变） 及应力，若利用第一强度理论(G,≥G)判定热裂，不仅没有考虑第二、第三主应力 (σ2、σ，)对破坏的影响，也不利于宏观各向同性简化的应用·第二，由于铸件受拉伸部 位易产生热裂，人们常用第二强度理论(e1≥ε，即应变理论)预测热裂，需知第二强度理 论在预测结构受压下的脆性破坏往往十分成功；预测拉伸破坏时，若将其改写成相当应力 0m的形式，有：0a,2=01一v(o2+0,);不难发现将会得出铸件三向受拉、02,0，>0时，其

Vo l . ’1] N O . 1 张家泉等 : 合金 热裂的凝固力学判据 . 37 · 系 统研究 奠定 了长期 以来 从热裂 形成 温度 及其 高 温力 学特 性 分析 热裂 问题 的 基 础 . P e li ni 将 热 电偶埋人 试件 中部 , 并 用 X 射 线 照 相 及 液 淬 等 综 合 技 术 证 实 了 热 裂 形 成 于 合 金 的 平 衡 固相 线附近 , 而且 是 沿枝 晶 液膜 的分离 . 由此 认 为 热裂 与枝 晶液膜 的存在 有 关 ; 由于 合金在 完全凝 固之前 , 强度 极低 , 铸 件 的收 缩变 形将 主 要集 中在 温度 较 高的薄弱部位 ; 并 采 用 两端 约束 的一维 试件 描述 了集 中变形 在液 膜 区 的形 成 过程 , 当其大 于合 金 当时 的极限应 变 时 , 热 裂产生 , 这便 是 著名 的应 变理 论主要 内容 . 以 此 为依 据 , P e il in 甚至 将包 括 焊 接 等 热 加 工 中 经常 出现 的各 种 高温 裂纹 都归结 为与 枝 晶液膜 的 存在 有 关 . 60 年 代至 今 , 对热 裂 的研究 有 了进一步 的认 识 { 2 一 ’ :] 由于 金 属晶界 在 高温 下具有粘 滞 性 , 晶界 区 域 的 金 属 具 有 最 大 的 点 阵不完整 性 , 晶界 金 属 的强度 对温度敏 感 性 比晶 内大 得多 ; 这 一特性 使金属 断裂随温度 变化 具有 两种 基本 形态 , 即沿 晶 断 裂 与穿 晶 断 裂 ; 这 样 便 出 现 一 个 “ 等 强 温 度 ” 几 , 温 度 高 于 几 , 对裂 口 的萌 生与 发展起主 要作 用 的是 晶界 的粘 滞性 、 晶 界 滑 动 以 及 空 穴 沿 晶 界 的扩 散 、 凝 聚等晶 界行 为 , 因而是 沿 晶断裂 的 断 口 特征 ; 低 于 esT 时 , 对断裂起主要 作用 的是 沿 晶 粒 内晶面 的滑移 , 因而 产生 穿 晶断 裂特 征形 态 . 因此 , 当前 对热 裂 的一般 定义 为 : 发 生在 等强 温度 以 上 , 由高温 晶界 状 态所 决定 的 晶界 弱化 引起 了沿晶 开裂 . 可 见 , 热裂 既可 能 与晶 间液 膜有 关 , 也可 能 与上 述 的其它 晶界 弱 化机理 有 关 . 但是 凝 固热 裂 形 成 于 固 相 线 sT 附 近 的 高 温仍 是大 家共 识 【“ } . 由于 工程 上 常以 断裂 时 的塑性 变形 大小 区 分 脆 性 断 裂 与 塑 性 断 裂 ; 加 之 合金 在 sT 附 近延 伸率及 断裂 应 变极低 , 因此 , 当前 常将凝 固热 裂 归 属 于 脆 性 断裂 . 显 然 这 一结 论也 只有工 程 定性 意 义 . 长期 以 来 , 关 于凝 固热裂 的研 究 主要遵 循 上述 应 变理 论 , 尤其 是从集 中变 形及 两 端 约束 法这 一思路 出发 . 基于 集中变 形 的概念 , 雄 谷等 [7〕 还 进 一 步 采 用 中 间 带 热 节 的 棒 形 铸件 来 研究 热裂 . 至今 , 通过 有 热节 或 无热节 的 两端 约 束法研 究 , 已 先后 提 出大 量 的热裂 判 据 . 代 表性 的有 : 雄谷用 热节 区 变形 量和 合金 临界 变形 量 随温度 的 变化及 其相 对大小 来判 断 热裂形 成 ; 矾 部等 【“ } 提 出 由合 金 高温 力学 性 能决 定 的临界 热 裂 参数 与冷 却 条 件 决 定 的 铸件 热 裂 参 数 的 比较来 分析热裂 ; 或是 用铸件 中心 部位 冷却 速度 与外 缘 冷却 速度 之 比建立 热裂 判 据 ; 此 外 , H a 们` e n gI] 还提 出 以铸件 热 节 区凝 固层增 大 速度 与 铸 件 收 缩 速 度 之 比作 为 热 裂 判 据 ; 以 及刘 驰 [ ’ “ ] 用 热节 区 长度 与铸 件 长度 之 比 来衡 量 其热 裂 趋势 等 . 以 上判 据可 以 定 性 分析 特 定 凝固条件 及力 学工况 的简单 铸件 , 但是 实 际铸件 或 铸坯 多处于 复 杂 的应 力 状态 , 影 响 热裂 的 因素也往 往 十分 复 杂 . 80 年代 以 来 , 以 热 、 力 学模型 为依 据 的凝 固 热 应力 场 数值模拟 技 术 开始启 动 , 从而为建 立 广泛 适用 的热裂 分析 技术 提 供 了可 能 . 但 同时 由于 相 关基础 研究 不足 的限制 , 常 不 得 不 过 多 地 依 赖 于 早 期 结 构 科 学 所 建 立 起 来 的有 关数 据 库及 研究 方 法 ! ” , 川 . 此外 对热裂 的认识仍 处于早 期 的定性 结 论基 础上 . 存在 的问题可分 析 归纳 如下 : 第一 , 尽 管凝 固热 应力 数值 模拟 目前 还 不 得 不 回 避一 些 亚 微 观 问题 , 即从 各 向同 性 出 发 , 但仍应考虑凝固过 程可 能存 在 细观各 向异性 这 一特 点 ; 凝固模 拟 输 出是 位 移 (或 应 变 ) 及 应力 , 若 利 用第一 强 度 理 论 ( 。 , ) a f ) 判 定 热 裂 , 不 仅 没 有 考 虑 第二 、 第 三 主 应 力 ( 。 2 、 。 3 ) 对破坏 的影 响 , 也不 利于 宏观 各 向同性 简 化 的 应 用 . 第 二 , 由 于 铸 件 受 拉 伸 部 位 易产生热裂 , 人们 常用第 二强 度理 论 ( 。 , ) 。 f , 即 应 变 理论 ) 预测热 裂 , 需 知第二强度 理 论 在预测结构受 压下 的脆性 破坏 往往 十 分 成 功 ; 预 测 拉伸 破 坏 时 , 若 将 其 改 写 成 相 当应力 叭 的形式 , 有 : 。 二 卜 2 = a , 一 , 伍 2 + 。 3 ) ; 不难 发 现将 会得 出铸件 三 向受拉 、 。 2 , 6 。 > o 时 , 其

·38· 北京科技大学学报 1995年No.1 相当应力反而变小，即更不易断裂，这显然是不合逻辑的，因而传统热裂应变理论只适合简 单的一维拉伸工况，第三，目前认为热裂是脆性断裂，依据是合金当时的延伸率或断裂应变 极小，以及合金在固相线T,附近呈平面拉伸断口（无明显颈缩）或沿晶断裂等表观断口特 征，但如前所述，以延伸率大小区分断裂方式只有工程定性意义，并不反映断裂机制；平面 断口也并非都是脆性断裂，簪如，高碳钢室温拉伸以及一些单晶拉伸中，由于滑移系少或单 一，也常看不出明显颈缩，呈平面断口，但它们却是本质塑性的1.此外，沿晶断裂仅是脆 性断裂的一种形式（另一形式为解理），但呈沿晶断裂未必都是脆断，它也可能是塑性断裂 的表现形式之一4.因此，在建立热裂判据时，当前必须从断裂前的塑性应变ε。与弹性应 变8。之比的大小来判断热裂本质，而不应依据塑性变形的绝对量大小·其次，应该注意 到，合金的力学特性与断裂形式常与加载速率及应力状态有关，而当前和凝固工况相近的试 验资料十分有限，此外，建立热裂判据与-一般结构破坏判据的另一重要区别在于应该考虑到 由于枝晶补缩还可能使产生的裂纹弥合， 2热裂本质、热裂势及凝固力学判据 由于一般凝固工况铸件冷却速度不大，加之其线收缩系数多在105数量级，不难发现 其凝固应变速率多在104s或更低的数量级，因此，属于高温蠕变断裂，为此应采用静态 拉伸下的应力/应变曲线来分析热裂本质，此外，考虑到一般拉伸实验为升温、均温后加 载.为了减小热激活机制与凝固过程的差异，试验宜采用过热均温再冷却至实验温度的加热 规范.图1为作者采用以上方案，在Gleeble-1500上对Al-7.2Si-3.3Cu合金（T,=508 ℃)的高温拉伸曲线；图2为铃木等对铝镇静钢的高温拉伸曲线， 30厂 100- 25 =6.7×101s 0700℃ o400℃ 80 ●800℃ g500℃ o1100℃ 20 。510℃t520℃1 ·1400℃ 60 0.4r 6 。40 6 10 0.1b 0 0.4o82 16 20 e/% 十 ● 0 0 0.10.20.30.40.50.60.7 0 0.2 0.4 0.60.8 1.2 1.4 E/% e/% 图1铝合金高温应力/应变曲线 图2镇静钢高温应力/应变曲线51 由图可见，无论是A1合金还是钢，其在接近固相线附近的高温下应力/应变曲线均十分 完整，曲线中还明显地反映出由于裂纹起源、扩展而表现出的应变软化阶段，尽管断裂前塑 性变形的绝对量很小，但其中塑性应变为总应变的主要组成部分，即￡。>>ε。.以520℃下

· 38 · 北 京 科 技 大 学 学 报 1卯 5 年 N o . l 相 当应力 反 而变 小 , 即更 不 易断裂 , 这 显然 是 不合 逻辑 的 . 因而 传 统热 裂应 变理论只 适合简 单的 一维 拉伸工 况 . 第三 , 目前认 为热裂是 脆性 断 裂 , 依据是合金 当时 的延 伸率或断裂应变 极小 , 以 及合金 在 固相线 T : 附近 呈平 面拉 伸 断 口 (无 明显 颈缩 ) 或 沿 晶 断 裂 等 表 观 断 口 特 征 . 但如 前所 述 , 以 延伸 率大 小 区 分 断裂方 式 只 有 工程 定性 意义 , 并 不反 映 断裂机 制 ; 平面 断口 也并 非都 是 脆性 断裂 , 譬 如 , 高碳 钢室 温拉 伸 以 及 一些 单 晶拉 伸 中 , 由于滑移 系 少或单 一 , 也 常看不 出明显颈缩 , 呈 平 面断 口 , 但 它们却是 本 质 塑性 的 [ ’ 3] . 此外 , 沿晶 断裂仅 是 脆 性断裂 的一种 形 式 ( 另一 形式 为解 理 ) , 但 呈沿 晶 断裂 未必 都是 脆 断 , 它 也 可 能 是 塑 性 断 裂 的表 现形 式之 一 【’ 41 . 因 此 , 在 建立 热裂 判据 时 , 当前必 须从断裂 前 的 塑性 应 变 : 。 与 弹 性 应 变 。 。 之 比 的大 小 来 判 断 热 裂 本质 , 而 不 应 依 据 塑性 变 形 的 绝 对量 大 小 . 其 次 , 应 该 注 意 到 , 合金 的力 学特 性 与断裂 形 式常 与加 载速 率及 应力 状 态有 关 , 而 当前 和凝固工 况相近 的试 验资料 十分 有 限 . 此外 , 建立 热裂 判据 与一 般结 构破 坏 判据 的另 一重 要 区 别 在于 应该考 虑到 由于枝 晶补 缩 还可 能使 产 生 的裂纹 弥合 . 2 热裂本质 、 热裂势及凝 固力 学判 据 由于一 般凝 固工况 铸件 冷 却速 度不 大 , 加 之其 线收 缩系 数多 在 10 ” 数 量 级 , 不 难 发 现 其凝 固应变 速率 多 在 10 ’ 4 5 一 ’或 更 低 的数量 级 , 因此 , 属于 高温 蠕变 断 裂 , 为此 应采 用 静 态 拉 伸下 的应 力 / 应 变 曲线 来 分 析 热 裂 本 质 . 此 外 , 考 虑 到 一 般 拉 伸 实验 为 升温 、 均 温 后 加 载 . 为 了减 小热激 活机 制 与凝固过 程 的差异 , 试 验宜 采 用过 热均 温再 冷却 至 实验温 度 的加热 规范 . 图 1 为 作 者 采 用 以 上 方 案 , 在 lG e b le 一 15 0 上 对 lA 一 .7 2 51 一 .3 3 C u 合 金 ( sT = 5 08 ℃ ) 的高 温拉 伸 曲线 ; 图 2 为铃 木 等对 铝镇 静钢 的 高温 拉伸 曲线 . 旧芝一d b , ~ 一 口 . } } 一 汀一 i 一职 钾币 广 } } i 月 , . 一 - 一一 ! / 0 40 0 ℃ 0 5{洲) ℃ 一 厂 / 勺 . l } , - - . 叫 l . I 叮 ! … 毛 二 } } - 的 ! } } 云= 6 7 只 10 一 1/ s 0 70 ℃ ! J 0 8自〕℃ l l 0 1 10 0℃ 一卜\ . 1月刃0 ℃ I 土 `立 一 . 一 口i 气万一 一 l\ _ 卜 ~ , O \ ` ú 山.芝、 b 0 0 . 2 0 . 4 0 石 0 名 1 . 2 1 . 4 ￡ / % ￡ /% 图 1 铝合金高温应 力/ 应变 曲线 图 2 镇静钢高温应力 / 应变 曲线 ’ 15 由图可见 , 无论是 lA 合 金还 是 钢 , 其 在接 近 固相 线附 近 的高温 下应 力 / 应变 曲线 均 十 分 完整 , 曲线 中还 明显 地反 映 出 由于裂 纹起 源 、 扩 展而 表 现 出的应 变软 化 阶段 . 尽管 断裂 前塑 性变 形 的绝对量 很小 , 但其 中塑性 应 变 为总 应变 的 主要组 成部 分 , 即 。 。 > > : e . 以 5 20 ℃ 下

Vol.17 No.1 张家泉等：合金热裂的凝固力学判据 39. 的A1合金为例（图1），其中有e。≈6ε。，因此，显然属于本质塑性断裂，即塑性滑动变形 是形成凝固热裂的本质原因， 由于热裂属表观脆性而本质塑性断裂，为此应从第三及第四强度理论出发来建立合适 的力学判据.式(1)及(2)分别为第三及第四强度理论的应力表达式，其中σ为相当应力： 0m.3=01-03 (I) t.4=石=√2/2[(o1-02)2+(a2-03)2+(o3-σ1)2]2 (2) 由(1)式可见，第三强度理论尽管也适合于本质塑性断裂，但其中没能包含中主应力02的 影响；而第四强度理论考虑了复杂应力状态下3个主应力对断裂的综合影响，从而与实际大 多数凝固工况相吻合.热裂的形成实质为1种局部的能量释放，第四强度理论正是从形变能 的角度提出的，即材料单位体积所储藏的形变能为一常数，若形变能超过这一常数，将导致 形成裂纹而释放，注意到凝固过程温度场的非定常性，形变能也是温度的函数；此外，由于 强度理论是从单向拉伸所得的极限强度对实际处于复杂应力状态下结构破坏的合理推断，为 此定义1个无量纲参数：G(T)a,(T,其中ō(T)为应力/应变场拉伸区所受的等效热应力， σ(T)为对应点的当时温度下极限强度，显然，该比值愈大，愈可能形成热裂，称为热 裂势· 由热裂势的定义，结合凝固补缩理论可知，若在G(T)/G(T)≥1的部位枝晶补缩尚能进 行，即使产生裂纹也会被及时充填而愈合，因此，只有在失去枝晶补缩的区域才有可能形成 热裂，这一停止流动点用临界固相率”或临界温度Ts来表示【41，流变学研究表明，这些 临界值均表现在合金液固态向固液态转变的较窄的过渡温区内，此时，合金粘度等有突 变，综上所述，热裂的凝固力学判据可表达为： G(TD/a(T)≥1 (3) (T≤Ts 由于(3)式基于第四强度理论，又考虑了补缩流动对裂纹的愈合，因此既适合于凝固 也适合于凝固终了后的冷却过程.由(2)式还可见，当σ2=0，=0时，6=σ1，因此，这一 判据既适合简单的力学工况，也适合实际复杂应力状态， 3结论 (1)凝固热裂是表观脆性断裂、本质塑性断裂· (2)传统热裂应变理论只适合简单拉伸工况，不适合复杂应力状态下的热裂判定· (3)定义热裂势为σ(T)/σ(T),据之并结合枝晶补缩特点建立了热裂的凝固力学判据， 该判据适合较广泛的凝固工况· 参考文献 1 Pellini W S.Strain Theory of Hot Tearing.Foundry,1952(11):25~133 2 Flemings M C.Hot Tearing in Cast Metals.AFS Trans,1969,77:329~332 3 Metz S A.A Fundamental Study of Hot Tearing.AFS Trans,1970,78:453~460

V 6 1 . 17 N 6 . 1 张家泉等: 合金热裂的凝 固力学判 据 . 39 · 的 lA 合 金 为例 (图 1 ), 其 中有 。 。 澎 6 。 。 , 因此 , 显然 属于 本质 塑 性 断 裂 , 即 塑性 滑 动 变 形 是形 成凝 固热裂 的本质原 因 . 由于热 裂属 表观 脆性 而本 质塑性 断裂 , 为此 应从第三 及第 四 强 度理 论 出发 来 建 立 合 适 的力 学判据 . 式 ( l) 及 ( 2) 分别 为第 三及 第 四 强度 理 论 的应力 表达 式 , 其 中 o e , 为相 当应力 : 口 、 , 3 = 叮 l 一 “ : ( l ) ; , , 4 一 万一 涯 / 2 [ ( a l 一 a Z ) , + ( 。 2 一 。 3 ) ’ + ( a 3 一 。 . ) , ] ’ ` , ( 2 ) 由( 1 )式 可见 , 第 三强度 理 论 尽 管也 适 合 于 本 质 塑 性 断 裂 , 但 其 中 没 能 包 含 中主 应 力 。 : 的 影 响 ; 而 第 四 强度 理论考 虑 了 复杂应 力状 态 下 3 个 主应 力 对断 裂 的综合 影 响 , 从而 与实 际大 多数凝固工况 相吻 合 . 热 裂 的形成 实质 为 1 种局 部 的能 量释 放 , 第 四 强度 理论正是 从形 变能 的角 度提 出的 , 即材料单 位体 积所储 藏 的形 变能 为一 常数 , 若形 变能 超过 这一 常数 , 将 导致 形成裂 纹而释 放 . 注意到 凝 固过程温 度 场的 非定 常性 , 形变 能也是 温 度 的函数 ; 此 外 , 由于 强度 理论是从 单向拉伸所得 的极 限强度 对实 际处于复 杂 应力状 态下结 构破 坏 的合理 推 断 , 为 此定 义 1 个 无量 纲 参数 : 砍 乃 / 。 f (刀 , 其 中 万(刀 为 应 力 /应 变 场 拉 伸 区 所 受 的等 效 热 应 力 , 巩 ( T ) 为 对应 点 的 当 时 温 度 下 极 限 强 度 . 显 然 , 该 比 值 愈 大 , 愈可 能 形 成 热 裂 , 称为 热 裂 势 . 由热裂 势 的定义 , 结合凝 固补 缩理 论可 知 , 若在 砍乃沁 f (乃 ) 1 的部位 枝 晶补缩 尚能 进 行 , 即使产生裂 纹也 会被及 时充填 而愈 合 , 因此 , 只有 在失 去枝 晶 补缩 的 区域 才 有可 能形成 热 裂 . 这 一停止 流动 点用 临界 固相 率 天 ` 或 临界温度 T , , 来表 示 [川 . 流 变 学 研 究 表 明 , 这 些 临界值均 表 现 在合金 液 固态 向固液态转 变 的较 窄 的 过 渡 温 区 内 , 此 时 , 合 金 粘 度 等 有 突 变 . 综上所 述 , 热裂 的凝 固力学判 据可 表达 为 : 。 (乃 / 6 : (刀 ) T 蕊 双 s ( 3 ) 由于 ( 3) 式基 于第 四 强度理 论 , 又考 虑 了补缩 流 动对 裂 纹 的 愈 合 , 也适 合于 凝 固终 了后 的冷却 过程 . 由 ( 2) 式还 可见 , 当 a Z 二 a , = 0 时 , 判据 既适 合简单 的力 学工 况 , 也 适合 实 际复 杂 应力 状 态 . 因此 既适 合 于 凝 固 云= 口 , , 因此 , 这 一 3 结 论 ( l) 凝 固热裂 是表 观脆 性 断裂 、 本质 塑性 断 裂 . ( 2) 传 统热 裂应 变理 论 只适合 简单 拉伸 工 况 , 不适 合 复杂 应力 状态 下 的热裂 判定 . ( 3) 定义 热裂 势 为叮 乃 / 。 。 (乃 , 据 之并 结 合 枝 晶补缩 特 点建 立 了 热裂 的凝固 力 学 判据 , 该判 据适 合较 广泛 的凝固工 况 . 参 考 文 献 P e l l i n i W 5 . S t r a i n T h e o r y o f H o t T e a r i n g . F o u n d yr , 1 9 52 ( 11) : 2 5 一 1 33 0 `U 4 2~ 气ú叹、 今`气一、 é 峙月 F l à e 训 n gs M C . H o t T ea r i n g i n C a s t M e t a l s . A F S T r a ns , 1 9 69 , 77 : 32 9 · M e t z 5 A . A F u n d a m e n ta l S t u d y o f H o t T e a r i n g . A F S T r a ns , 19 70 , 7 8

·40 北京科技大学学报 I995年No.1 4 Weinberg F.The Ductility of Continuously Cast Steel Near the Melting Point-Hot Tearing. Metall Trans B,1979(10B)P:219~226 5哈尔滨焊接研究所.焊接裂缝金相分析图谱，哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1981.1~6 6李庆眷，铸件形成理论.北京：机械工业出版社，1982.250~256 7雄谷重夫，户田善久.Cu-Z及UC1-A1二元合金铸造割九.铸物，1979,51(9)：533~538 8矾部俊夫，久保田昌男.Study of the Conditions for Preventing Hot Tearing of Aluminium Alloy Castings.铸物.1981,53(4)：153~160 9 Sahm P R,Hansen R A.Numerical Simulation and Modelling of Casting and Solidification Processes. CATF,1984.58~70 10刘驰等.热裂纹研究进展，铸造，1988(8)：32~34 11 Thomas B G.Part II.Stress Model.Metall Trans B,1988,19B:131~146 12 Wiese J.Predicting Stress Development in Cast Iron Foundry Casting.[dissertation],Illinois: University of Illinois,1988 13哈宽富.金属力学性质的微观机理，北京：科学出版社，1983.685~691 14张家泉.铝合金气缸盖三维凝固模拟研究：【博士学位论文]北京：清华大学机核系，1993 15铃木洋夫.900~600℃温度域二扫分石钢”脆化特性.铁钢，1981,67(8)：1180~1185 (上接18页) 参考文献 1陈广平，刘琦.台阶高度与矿岩运输功含量的关系.中国矿业，1993,2(1)，41~44 2中国矿业大学主编.露天采矿手册.第二分册.北京：中国矿业大学出版社，1986

· 40 · 北 京 科 技 大 学 学 报 l卯 5年 N d . 1 4 W e i n be r g F . T h e D u e t il i t y o f C o n ti n u o su l y C a s t S t e e l N e a r th e M e l ti n g P o i n t一 H o t T e a r i n g . M e at l T r a sn B , 197 9( I OB ) P : 2 19 ~ 22 6 5 哈尔滨焊接研究所 . 焊接裂缝金相分析 图谱 . 哈尔滨 : 黑龙 江科 学技术 出版社 . 19 81 . 1 一 肠 6 李庆春 . 铸 件形 成理 论 . 北京: 机械工 业出版社 , 198 2 . 2印 一 256 7 雄谷 重夫 , 户田 善久 . uC 一 nZ 及 J uC 一 lA 二元合金铸造 割 扎 . 铸物 . 197 9 , 51 (9) : 53 一 5 38 8 矾部 俊夫 , 久保 田 昌男 . St记y of 此 伪 n id t io ns fo r p er Ven 山唱 oH t 毛翅七唱 of 月山创加 nt 月】o y ( 址血邵 . 铸物 . 1981 , 5义4 ) : 153 一 l印 9 aS h n 1 P R , H 印匡祀 n R A N ur 理泳习 S如枉匕it o n a l记 M 以七灿昭 of C as it n g an d so il id 丘乏 iot n R cD 。 翻留 . 口A T F , l 货粥 . 58 一 70 10 刘驰等 . 热裂纹研 究进展 . 铸造 , 198 灰8) : 32 ~ 34 1 1 T h o r n a s B G . P a rt 1 . S t r es s M o d e l . M e t a l l T ar ns B , 1 98 8 , 1 9B : 13 1 一 14 6 12 Wies e J . P r e d i e t i n g S t r es s D e ve l o Pme n t i n C a s t I r o n F o u n d ry C a s t i n g . 【d is s e r at t i o n 」 , I l i n o is : U 川v 日sr i t y o f Il ino is , 1 9 88 13 哈宽富 . 金属力学性质 的微观机理 . 北京: 科学 出版社 , 198 3 . 68 5 一 69 1 14 张家泉 . 铝合金气缸盖三维凝 固模拟研究 : 【博士 学位论文 1 . 北京 : 清 华大 学机械系 , 1卯3 巧 铃木 洋夫 . 以洲) ~ 以幻 ℃ 温度 域忆 妇 汁石 钢 。 脆 化特性 . 铁 七钢 , 198 1 , 67( 8) : n 即 一 fl 85 C 二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二沙 ( 上 接 18 页 ) 参 考 文 献 l 陈广平 , 刘琦 . 台阶高度 与 矿岩运输功含量的 关 系 . 中国 矿业 , l卯3 , 2 ( l) , 41 一 4 2 中国矿业大学主 编 . 露天 采矿手册 . 第 二分册 . 北京 : 中国矿业大学 出版社 , 198 6