表面裂紋

中文名稱(chēng)

表面裂紋

英文名稱(chēng)

surface crack

定　　義

材料表面形成的或擴(kuò)展的裂紋。

應(yīng)用學(xué)科

材料科學(xué)技術(shù)（一級(jí)學(xué)科），材料科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)（二級(jí)學(xué)科），材料合成、制備與加工（三級(jí)學(xué)科），表面改性和涂層技術(shù)（四級(jí)學(xué)科）

裂紋的形成是連鑄過(guò)程中力學(xué)因素和冶金特性綜合作用的結(jié)果，從裂紋的形成到出現(xiàn)，必須有作用應(yīng)力，且材料本身不能承受此應(yīng)力。因此，要理解連鑄中各類(lèi)裂紋的形成過(guò)程，就需要了解應(yīng)力源和材料的高溫特性，特別是延展性。而且需要指出的是，裂紋形成不見(jiàn)得均勻進(jìn)行，可能有明顯的裂紋開(kāi)始和擴(kuò)張階段。下面就幾種典型的表面裂紋和內(nèi)部裂紋的形成機(jī)理進(jìn)行分析。

連鑄坯裂紋表面橫向裂紋的形成機(jī)理

有證據(jù)表明，表面橫向裂紋的早期形成階段，出現(xiàn)在結(jié)晶器內(nèi)的高溫區(qū)，并且與振痕附近的偏析有關(guān)。這些區(qū)域熔點(diǎn)低，且由于向結(jié)晶器的熱傳輸降低，而使溫度較高，從而導(dǎo)致熱扯裂。當(dāng)碳含量達(dá)到出現(xiàn)包晶的程度時(shí)，表面橫向裂紋增加，盡管表面橫向裂紋的早期形成階段，可能位于結(jié)晶器內(nèi)，但這些缺陷變大、變多則是在結(jié)晶器之后的低溫區(qū)，當(dāng)其受到來(lái)自各種渠道的應(yīng)力作用，特別是象鑄坯矯直時(shí)那樣的應(yīng)力作用時(shí)，當(dāng)這些應(yīng)力出現(xiàn)在延展性差的溫度范圍內(nèi)，表面橫向裂紋很?chē)?yán)重。由于熱延展性受微合金影響強(qiáng)烈，所以有報(bào)道認(rèn)為，這就是微合金元素影響表面橫向裂紋的機(jī)理，除微合金元素析出物在表面橫向裂紋的形核方面起一定作用外，振痕也有利于裂紋的擴(kuò)張。這是由于振痕下的晶粒尺寸較粗大，且凹口形的幾何形狀也會(huì)使應(yīng)力集中。

連鑄坯裂紋表面縱向裂紋的形成機(jī)理

連鑄坯表面縱向裂紋的產(chǎn)生往往與表面縱向凹陷相伴隨。據(jù)認(rèn)為，連鑄坯表面縱向凹陷、裂紋是在結(jié)晶器彎月面附近產(chǎn)生，在二冷區(qū)得到擴(kuò)展，因此，其根源在于鋼水在結(jié)晶器內(nèi)的凝固行為及其影響因素。各種原因?qū)е碌牟痪鶆騻鳠岷筒痪鶆蚰虝?huì)造成鑄坯凹陷，凹陷部位冷卻和凝固速度比其他部位慢，結(jié)晶組織粗化，對(duì)裂紋敏感性強(qiáng)。坯殼出結(jié)晶器后受到噴水冷卻和鋼水靜壓力引起的膨脹作用，在凹陷的薄弱處造成應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋。坯殼表面凹陷越深，坯殼厚度不均勻性就越嚴(yán)重，縱裂出現(xiàn)的幾率越大。

成分、結(jié)晶器狀況、過(guò)熱度、拉速、保護(hù)渣甚至是操作等導(dǎo)致的不均勻傳熱，都增加了鑄坯產(chǎn)生表面縱向凹陷和裂紋的幾率。

連鑄坯裂紋內(nèi)部裂紋的形成機(jī)理

最初在結(jié)晶器中形成的2-5mm厚的凝固殼為細(xì)小的等軸晶，之后凝固組織變?yōu)橹鶢罹?。柱狀晶的方向基本上與坯殼表面垂直，且平行于熱流方向。隨著凝固的進(jìn)行，S,P等元素發(fā)生偏析，在固液界面前沿及枝晶之間富集。含S,P較高的晶界在大體積材料的固相線溫度Tsol下仍處于液態(tài)，對(duì)于與柱狀晶方向垂直的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變而言，處于液相的晶界幾乎沒(méi)有塑性。開(kāi)始出現(xiàn)零塑性的溫度ZDT比固相線溫度低30 ~ 70℃,當(dāng)結(jié)晶器摩擦力引起的應(yīng)力、坯殼鼓肚應(yīng)力、熱應(yīng)力、矯直應(yīng)力、以及由于導(dǎo)輥?zhàn)冃?、不?duì)中引起的附加機(jī)械應(yīng)力作用于凝固前沿時(shí)，凝固界面率先沿柱狀晶晶界開(kāi)裂形成裂紋，并向固相擴(kuò)展，同時(shí)凝固前沿富含溶質(zhì)元素的鋼水有可能被“抽吸”進(jìn)入裂紋。這就是內(nèi)裂紋有時(shí)伴隨著偏折線一起出現(xiàn)的原因。

初始形成的裂紋沿柱狀晶晶界向固相擴(kuò)展，由于溫度逐漸降低，塑性和強(qiáng)度逐漸上升，或遇到表層等軸晶區(qū)，裂紋擴(kuò)展被抑制。在隨后的凝固過(guò)程中，如果凝固前沿繼續(xù)受到應(yīng)力或應(yīng)變的作用，則已形成的內(nèi)裂紋將隨著凝固界面的推進(jìn)而連續(xù)“生長(zhǎng)” 。

熱處理裂紋形成條件

①只能產(chǎn)生在尖棱角或外輪廓的附近；

②快速淬火冷卻條件下；

上述兩項(xiàng)決定了裂紋形成處的組織應(yīng)力值極大（組織轉(zhuǎn)變快，截面溫差?。?。并且裂紋形成于淬火初期，此后隨著冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)，裂紋迅速擴(kuò)展。在制定熱處理工藝時(shí)必須要了解邊廓裂紋的這個(gè)特點(diǎn)。

熱處理裂紋宏觀特征

在輪廓或邊棱的附近，并與之基本平行的單條或多條毛細(xì)裂紋；外寬內(nèi)尖與零件外表面基本垂直且裂紋較淺。

熱處理裂紋因素影響

①邊廓裂紋在較低的淬火溫度下就能產(chǎn)生，正常淬火溫度已發(fā)育長(zhǎng)大，過(guò)熱條件下嚴(yán)重?cái)U(kuò)展。

②一般應(yīng)力集中因素不產(chǎn)生影響，但表面機(jī)加工刀痕例外。在具有圓形輪廓的淬火零件上，邊棱附近產(chǎn)生的邊廓裂紋，幾乎都是沿著圓形的機(jī)加工刀痕形成和擴(kuò)展的。這是因?yàn)檫吚飧浇募庸さ逗?，恰好處在這類(lèi)裂紋賴(lài)以形成的表面局部合成拉應(yīng)力場(chǎng)的作用范圍內(nèi)。

熱處理裂紋預(yù)防措施

①選用較緩和的淬火冷卻介質(zhì)；

②淬火冷卻介質(zhì)的溫度不可低于15℃，當(dāng)?shù)陀?℃裂紋已不可避免；

③加強(qiáng)人員培訓(xùn)和加強(qiáng)熱處理生產(chǎn)的技術(shù)管理。

1、產(chǎn)生的溫度和時(shí)間不同

熱裂紋一般產(chǎn)生在焊縫的結(jié)晶過(guò)程中。冷裂紋大致發(fā)生在焊件冷卻到200～300℃，有的焊后會(huì)立即出現(xiàn)，有的可以延至幾小時(shí)到幾周甚至更長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)出現(xiàn)。所以冷裂紋又稱(chēng)延遲裂紋。

2、產(chǎn)生的部位和方向不同

熱裂紋絕大多數(shù)產(chǎn)生在焊縫金屬中，有的是縱向，有的是橫向，有時(shí)熱裂紋也會(huì)延伸到基本金屬中去。冷裂紋大多數(shù)產(chǎn)生在基本金屬或熔合線上，大多數(shù)為縱向裂紋，少數(shù)為橫向裂紋。

3、外觀特征不同

熱裂紋斷面都有明顯的氧化色。冷裂紋斷口發(fā)亮，無(wú)氧化色。

4、金相結(jié)構(gòu)不同

熱裂紋都是沿晶界開(kāi)裂的。冷裂紋是貫穿晶粒內(nèi)部，即穿晶開(kāi)裂，不過(guò)也有的是沿晶界開(kāi)裂。 2100433B