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