合金系 Fe-S Fe-P Fe-Si Fe-Sn Fe-Ti Ni-S Ni-P
Ni-B Ni-Al Ni-Zr Ni-Mg
共晶成分（质量分数/%）
Fe，FeS（S31）
Fe，Fe3P（P10.5） Fe3P，FeP（P27） Fe3Si，FeSi（Si20.5） Fe，FeSn（Fe2Sn2，FeSn）
1、凝固裂纹
金属凝固结晶末期，在固相线附近发生的晶间开裂现象， 称为凝固裂纹或结晶裂纹。其形成与凝固末期晶间存在的 液膜有关，断口具有沿晶间液膜分离的特征。裂纹无金属 光泽，有明显的氧化色彩。
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
液化裂纹的形成机理
液化裂纹是一种沿奥氏体晶界开裂的微裂纹，一般认为是 由于热影响区或多层焊层间金属奥氏体晶界上的低熔点共 晶，在焊接高温下发生重新熔化，使金属的塑性和强度急 剧下降，在拉伸应力作用下沿奥氏体晶界开裂而形成的。
二氧化钛 35-45
钛铁矿
0-25
铁合金
10-15
有机物
0-3
2. 熔渣碱度 0.55-0.80
低氢型
1. 药皮组成物用量范围 （％）
硅酸盐
<12
碳酸盐
25-55
二氧化钛
0-5
氟化物
15-30
铁合金
15-25
2. 熔渣碱度 1.6-2.2
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
热 处 理 强 化 铝 合 金 焊 缝 中 的 结 晶 裂 纹
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
奥氏体
液态薄膜
奥氏体
铁素体
a)
b)
图11-55 δ相在奥氏体基底上的分布
a）单相奥氏体 b）δ＋γ
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
（二）工艺因素对热裂纹的影响
焊接、铸造 工艺参数
温度场分 布及变化
凝固组织形态 与偏析程度
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
第五节 热裂纹
在应力与致脆因素的共同作用下，使材料的 原子结合遭到破坏，在形成新界面时产生的缝隙 称为裂纹。金属在加工和使用过程中，可能会出 现各种裂纹，如热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层 状撕裂和应力腐蚀裂纹等。裂纹是可以引发灾难 性事故的、危害最大的一类缺陷。
（Sn48.9）
Fe，TiFe2（Ti16） Ni，Ni3S2（S21.5）
Ni，Ni3P（P11） Ni3P，Ni2P（P20）
Ni，Ni2B（B4） Ni3B2，NiB（B12） γNi，Ni3Al（Ni89） Zr，Zr2Ni（Ni17） Ni，Ni2Mg（Ni11）
共晶温度/℃ 988 1050 1260 1200
加钢结中晶碳温含度量区增间加，时并，且M随n着的碳加
T/ ℃
含入量量的也增要加相，应初生增相加可。由当δwC相＜ 转0为.16γ％相时。，由w于Mn硫/wS和＞磷25在即γ可相防 中止的热溶裂解纹度的比产在生δ。相但中是低当很多wC， 如＞果0初.16生％相（为包γ晶相点，）则时析，出磷的的
硫有和害磷作就用会将富超集过于硫晶，界此，时从再而增 增加加w凝Mn固/w裂S比纹值倾对向防。止热裂纹已
合金元素和杂质元素的影规划教材 《材料成形基本原理》
1．凝固温度区的影响
凝固温度区增大 温 度 /℃
脆性温度区范围增大
凝固裂纹的倾向增大
裂 纹
倾
向
合金相图与结晶裂纹 /%
wB /% wB /%
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
TB－脆性温度区 TH－TB上限 TS'－TB下限
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
三、热裂纹的影响因素及防止措施 冶金因素 工艺因素 防止热裂纹的措施
结晶裂纹倾向试验
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
（一）影响热裂纹倾向的冶金因素
凝固温度区的影响
轴向弯断，观察断面上有无裂纹并测量
裂纹长度。
按右式计算裂纹率： C F

1F LF
100 %
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
结构钢焊条药皮配方
钛钙型
1. 药皮组成物用量范围（％）
硅酸盐
25-40
碳酸盐
15-22
硫和磷 是钢中最有害的杂质元素，在各种钢中都会增加
热裂纹倾向。它们既能增大凝固温度区间，与其他元素形成 多种低熔点共晶，又是钢中极易偏析的元素。
Ni、C 与 Mn 的影响
合金元素对热裂纹的影响已建立了一些定量判据，如热裂纹 敏感系数 HCS 、临界应变增长率 CST 等。
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
ε＝ f (T)
随TB温内度的下应降变，增应长变率ε∂ε增/大∂T。 越大，越容易ε产,δ生裂纹。
应工线表ε－变艺示2 应所增因。变对图长素CS应率有1T1的δ与 关-越－4∂材 。8大塑ε质/，∂性产T有材生关为料T，凝临对L－还界热固液与应裂裂相焊变纹纹线接增敏的规长感T条范率性S－、，越件固拘用小相束“。线程CS度T等”
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
一、热裂纹的分类及特征 二、热裂纹的形成机理 三、热裂纹的影响因素及防止措施
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
一、热裂纹的分类及特征
凝固裂纹 液化裂纹 高温失延裂纹
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
由缝公在式焊根可接部见中间：拘隙刚束度产性的生大定单（义弹位为性长平模度板量位对E移接大所或接需板头厚要单δ的大位力）长或。度拘接焊头束 距离的拘L束小度的与焊拘接束结应构力，大拘小束，度可与近拘似束地应用力经高验，公裂式纹计倾算向：大。
R E
L
mR
l
F
F
m 是转换系数，与钢的线胀 系数、比热容、接头坡口形式 和焊接方法等因素有关。
液化裂纹
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
高温失延裂纹的形成机理
在固相线以下的高温阶段，金属处于不断增长的固相收缩应力作用之 下，变形方式主要是依靠位错或空位沿着晶界的扩散、移动进行。当沿晶 界的扩散变形遇到障碍时（如三晶粒相交的顶点），就会因应变集中导致 裂纹。空穴开裂理论认为晶界滑动和晶界迁移同时发生，两者共同作用可 形成晶界台阶，进而形成空穴并发展成微裂纹。
裂纹
TL TH
TB
TS TS'
δ
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
《材料成形基本原理》
T/℃
TL
TH
δmin
δ＝Φ(T)
TB
TB内金属的塑性 δmin越低，产生热 裂纹的倾向越大。
脆性温度区 TB 越T大S，收缩应力
1
2
的 量作 越用 大3 时 ，间形成就热越裂长T纹，S的产' 倾生向的越应大变。
1120
1340 645 880 1106 1140 990 1385 961 1095
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
碳锰在具钢有中脱是硫影作响用热，裂同纹时的也主能要改
元善素硫，化并物能的加形剧态硫，﹑使磷薄及膜其状他改 温 元变素为的球有状害，作提用高。金碳属能的明抗显裂增性。度
σ
A C
裂纹
B
τ
τ
σ
A
τ
τB
A
τ
微裂纹
Bτ
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
二、热裂纹的形成机理
液态金属 凝固结晶
液固状态 固液状态
偏析
低熔点共晶 液态薄膜
脆性温 度区间
拘束
凝固收缩
应力与应变
凝固 裂纹
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
T/℃
δ＝Φ(T)
结构形式与 拘束程度
结晶应力 与应变
凝固 裂纹
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
（三）防止热裂纹的措施
以上两类因素中，哪些因素可以进行控制呢？
总体来看：冶金因素的影响在铸造熔炼过程中 比较容易实现控制，而在焊接工艺过程中只能通 过对焊材与焊接工艺参数选择来限制热裂纹。
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
δ L
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
结晶裂纹倾向试验
φ4直径 J422、J507 和 J427-FeS
（自制）焊条
各4~6根
200×120×12mm低碳钢板
焊接电流：100A；电弧电压：24V； 焊接速度：150mm/min。
焊后约10分钟将试件从试验装置中取 出。试件冷却到室温后，将试件沿焊缝
无意义。
wC/% 图11-54 Fe-C 相图的高温部分
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
3．凝固组织形态的影响
晶粒的大小﹑形态和方向及析出的初生相对抗裂性都有 很大影响。晶粒越粗大，方向性越明显，产生热裂纹的倾 向就越大。
金属中加入某些合金元素（如Ti、Mo、V、Nb等）使 晶粒细化，既可破坏液态薄膜的连续性，又可打乱枝晶的 方向性，从而提高金属的抗裂性。
温 度 T/ ℃
a）
b）
c）
d）
图11-53 二元合金相图与凝固裂纹倾向的关系
a）完全互溶 b）有限固溶 c）机械混合物 d）完全不固溶 虚线－凝固裂纹倾向的变化