鑄件熱裂紋研究進展

武永紅，李永堂，付建華，賈 璐

（太原科技大學，山西太原 030024）

鑄件熱裂紋研究進展

武永紅，李永堂，付建華，賈 璐

（太原科技大學，山西太原 030024）

熱裂紋是鑄件在凝固接近結束時形成的一種常見鑄造缺陷。熱裂紋的出現嚴重地影響了鑄件質量，降低了生產效率、造成了工業(yè)損失、甚至帶來安全隱患。本文在分析鑄件熱裂紋形成機理基礎上，對制定的各種熱裂紋判據做了對比分析總結，闡述了鑄造合金化學成分、鑄造工藝參數、幾何參數等因素對熱裂形成的影響；詳細分析了當前熱裂數值模擬的實現方法，影響數值模擬精度的各種因素，如：模型簡化、網格劃分、力學本構模型的建立、數值計算方法及邊界條件處理；論述了熱裂試驗研究的主要內容和實驗方法。指出了今后熱裂紋研究的重點與發(fā)展方向。

鑄件；熱裂紋；本構模型；影響因素；數值模擬；實驗研究

0　前言

熱裂是鑄件在凝固過程中出現的危害嚴重的一種鑄造缺陷。在鑄造生產過程中，一旦出現熱裂，需通過補焊或后續(xù)機加工來消除，嚴重者可使產品報廢。對難于觀察的內部微裂紋，如果用于工業(yè)生產，可能將產生無法預計的嚴重后果，給工業(yè)生產造成具大損失。因此，進行熱裂紋形成機理研究、分析鑄造工藝參數對熱裂紋形成的影響，建立綜合全面的熱裂紋預測判據，對鑄件凝固過程熱裂紋進行定性定量數值模擬、預測和控制是優(yōu)化鑄造工藝參數，改善鑄造組織、提高鑄件質量及其力學性能的有效途徑。多年來許多學者提出了各種熱裂紋判據，但由于鑄造凝固過程是一個受鑄件化學成分、幾何形狀、鑄造工藝參數等多種因素影響的復雜系統，高溫下，一些影響鑄造合金熱裂的關鍵性力學參數不易確定，此外，對熱裂機理的研究也不夠完善。迄今為止還沒有一種通用的熱裂判據可定性定量地預測不同鑄造工藝下鑄造合金熱裂的產生與發(fā)展?，F代社會對鑄件的質量要求越來越高，為了有效地避免實際鑄造生產中熱裂紋缺陷，有必要對熱裂形成機理、影響熱裂的因素、建立的各種熱裂紋判據及熱裂實驗研究進行分析和討論。

1　熱裂機理分析

熱裂在鑄件凝固糊狀區(qū)接近凝固結束時形成，而金屬液凝固是晶粒形核、生長、相互接近接觸、橋接最后形成固體骨架的過程。在液相到固相的轉變過程中，依據凝固特性定義了幾個特定固相體積分數[1-2]：，開始形成連貫性固體的體積分數；，產生非零熱應變的體積分數，晶粒結合形成固體骨架的體積分數。由此將凝固期間固液兩相區(qū)分為四個區(qū)間：0≤f＜fcoh，凝固體積分數較小，形成ss的凝固晶?？稍诮饘僖褐凶杂梢苿?；，晶?；ハ嗾持纬蛇B貫性固體枝晶網絡，連續(xù)液膜形成，材料表現出一定強度，應力應變可通過枝晶傳遞。凝固收縮產生的變形可通過枝晶間液體補縮和晶粒的重新排列而補償。，對應凝固的熱脆性區(qū)域，該區(qū)域晶粒開始橋接，液膜逐漸消失，液體不再連續(xù)，液體的補縮不再可能，產生了非零熱應變，但對應變的抵抗力仍然很低，凝固收縮和內部應變引起的凝固體的變形不能充分通過液體的補縮和晶體的移動而消除，應力急劇上升，熱裂敏感性最大，容易產生疏松、縮孔、熱裂等凝固缺陷；晶粒結合形成完整固體骨架，變形主要發(fā)生在粘塑性連續(xù)體內，凝固體獲得了足夠塑性與強度，可阻止熱裂紋等缺陷進一步形成及擴展。

通常將凝固的第二階段到第四階段稱為凝固糊狀區(qū)。從20世紀50年代起，人們對熱裂形成機理進行了不斷深入的理論研究、試驗和生產驗證，發(fā)現熱裂發(fā)生在糊狀區(qū)，材料糊狀區(qū)熱力學性能對熱裂形成起著關鍵作用。多數學者[1-10]認為，凝固收縮導致的枝晶間熔體流動、鑄件凝固收縮產生的拉應力及不均勻冷卻收縮促進的熱變形是產生熱裂的主要機理。由此形成的熱裂理論目前主要有：基于非力學的液流凝固補縮理論，基于力學的應力、應變、應變速率理論和綜合理論。

液流補縮理論認為，熱裂的形成需兩個條件：①液流補縮不足；②熱梯度和凝固收縮受阻產生了拉應力。當鑄造合金凝固的固相體積分數達到時，隨著凝固的進行，枝晶間液模逐漸變薄，橋接的枝晶最終阻斷了液流補縮通道，在糊狀區(qū)深處形成了孤立液相區(qū)，液流不能補償熱收縮和變形，而此時枝晶的強度、塑性均較低，枝晶臂很容易被垂直于枝晶方向的拉應力拉裂，因而形成了熱裂紋。因此存在拉應力是熱裂紋形成的必要條件。

應力、應變理論則認為熱裂紋發(fā)生在應力應變集中的地方，由鑄件在凝固后期接近固相線溫度時凝固收縮受阻及熱收縮產生的應力和變形達到或超過對應溫度下材料的強度極限或塑性極限所致，在熱脆性區(qū)內合金對應力應變的抵抗力低是產生熱裂紋的重要原因，鑄件凝固過程中形成的應力-應變則是熱裂紋產生的必要條件。熱應變是熱促使變形的驅動力。晶界以低應變速率滑移是糊狀區(qū)晶體變形的主要方式。應變速率可用來描述糊狀區(qū)合金的蠕變行為?；趹兯俾实臒崃牙碚撜J為熱裂的關鍵因素主要是應變速率，當應變速率超過臨界應變速率時熱裂紋開始形成。

基于液流補縮的熱裂理論只考慮了合金流動的連續(xù)性及枝晶臂承受拉力的薄弱性，而沒有考慮凝固后階段發(fā)展的應力、應變等力學參數對熱裂的影響；而基于力學的熱裂理論僅考慮了凝固后階段產生熱裂的原因，忽略了凝固前階段液體的流動及液流補縮對微裂紋的彌合作用。因此分析問題都不夠全面，具有一定局限性，近年來發(fā)展的綜合理論是一種很好的方法。如：RGD熱裂理論，基于孔隙形成的熱裂理論。RGD熱裂理論考慮了凝固收縮和液流流動導致的變形，認為凝固收縮和變形使得枝晶間液體產生了壓力降，且液體壓力由枝晶尖端處的合金液靜壓力值開始向枝晶根部逐漸減小。當枝晶間液體壓力小于臨界壓力值時將產生熱裂。而基于孔隙形成的熱裂理論則從微觀層面解釋了熱裂的形成。認為凝固過程中若補縮不足首先會形成疏松縮孔，當孔隙的尺寸或體積分數超過熱裂臨界值時會形成熱裂。

2　熱裂的數值模擬研究

對鑄件進行熱裂趨勢精確模擬是實現準確預測控制熱裂紋的關鍵。精確模擬除依賴鑄造合金熱物性參數及建立的熱裂判據外，溫度場、應力場的計算方法，邊界條件處理方法，網格劃分、時間步選取等也是影響模擬結果準確性的重要因素。凝固材料高溫力學性能模擬及熱裂標準實現模擬是熱裂模擬研究的重要內容。經過多年的探索研究，目前已經涌現出了許多如PROCAST、MAGMA、ANYCASTING等模擬溫度場、應力場的大型通用有限元軟件，應用這些模擬軟件，可對鑄造合金充型凝固過程的流場、溫度場、應力場、微觀組織、力學性能等進行數值模擬，有效預測鑄件鑄造過程出現的疏松、縮孔、熱裂、冷裂等鑄造缺陷，為優(yōu)化鑄造工藝參數、控制鑄造缺陷、提高鑄件質量、節(jié)省產品設計試制周期、提高綜合經濟效益提供了有力保障。

2.1熱裂判據模型

依據不同熱裂理論，熱裂判據標準的制定主要采用了基于非力學標準方法、力學標準方法及兩者結合這三種方法。非力學標準方法強調了凝固的第二、第三階段對熱裂所起的作用，重點放在糊狀區(qū)的補縮特性上。力學標準方法強調凝固的第三、第四階段發(fā)展的應力應變對熱裂的重要作用。

在國外，基于非力學的熱裂標準模型，代表人主要有FEURER、CLYNE、DAVIES、KATGEMAN；基于力學的熱裂模型，代表人主要有PROKHOROV、NOVIKOV和MAGNIN；綜合模型的代表人主要是RAPPAR-DREZET-GREMAUD、HAMDI、SUYITNO。

FEURE[3]提出的熱裂標準注重了凝固階段轉變點在熱裂中的作用，認為如果合金液補縮速度小于凝固收縮速度，則發(fā)生熱裂。在Feurer熱裂標準基礎上，CLYNE和DAVIE[4]認為，熱裂是凝固后期熱脆性區(qū)因抵抗應力應變能力低使得枝晶臂容易被拉裂所致。他將鑄件熱節(jié)處變形分為三個階段：應力松弛階段、易裂階段和不產生裂紋階段。采用易裂階段與應力松弛階段時間之比定義熱裂敏感系數，該值越大，合金液對熱裂的敏感性越大。該熱裂判據比較簡單，將凝固各階段轉變的體積分數看做常數，且只考慮了鑄件凝固時與冷卻速度有關的凝固溫度、時間及固相體積分數，忽略了其它因素的影響，應用范圍狹窄。文獻[5]對KATGEMA、PROKHOROV、NOVIKOV和MAGNIN的熱裂模型做了概述?，F簡要敘述如下：KATGEMA熱裂模型是在FEURER、CLYNE和DAVIES的熱裂判據基礎上提出了修正的HCS。該指示器考慮了凝固過程的動態(tài)變化，相比CLYNE和DAVIES的公式有較大的進步，但將形成的體積分數都認為是0.99顯然是不準確的。

PROKHORV考慮了糊狀區(qū)與斷裂應變速率有關的收縮應變速率和表觀應變速率。認為脆性區(qū)域內，如果自由收縮應變速率與表觀應變速率的和大于斷裂應變速率最小值，則會產生熱裂。該標準可用于對熱裂進行定性和定量預測。NOVIKOV考慮了糊狀區(qū)與斷裂應變有關的收縮應變、熱應變，忽略了表觀應變，提出了合金凝固期間的塑性儲備。NOVIKOV將≤f≤1定義為熱脆性區(qū)域，s以整個脆性區(qū)間內單位溫度所存儲的累積應變的逆來定義合金凝固過程的熱裂敏感性，該標準注重了塑性對熱裂的作用。

MAGNIN依據凝固后期的斷裂應變建立了熱裂判據。該判據考慮了粘塑性對變形的影響，可以定性和定量的預測熱裂的產生。

RAPPAR-DREZET-GREMAUD[6]提出了RDG判據，依據合金液的壓力降判斷熱裂的發(fā)生，如果合金液壓力降小于產生熱裂的臨界壓力降，則產生熱裂，反之，不會形成熱裂。定義熱裂紋敏感性HCS為1/，其中為糊狀區(qū)所能承受最大應變速率，HCS越高，合金對熱裂的敏感性越高。該標準突出了粘塑性應變率對熱裂的重要作用，但只能用于穩(wěn)態(tài)條件下預測連續(xù)鑄造時枝晶間熔體出現的初始裂紋，而不能預測熱裂紋的擴展。HAMDI[7]考慮了凝固后期液流補縮的不足和局部的粘塑性變形 ，認為糊狀區(qū)材料是具有飽和液體的可壓縮多孔介質，基于兩相平均體積模型建立了熱裂判據，采用有效熱裂應變來衡量熱裂敏感性。該模型可對鑄造合金進行熱裂紋定性預測，但該模型假設糊狀區(qū)材料具有各向同性材料屬性，且沒有考慮縮孔對熱裂趨勢的影響。SUYITNO[8]考慮了凝固收縮、應變率及補縮不足等因素，將凝固過程中孔的形成和發(fā)展與熱裂標準聯系起來，利用瞬態(tài)質量守恒方程建立了基于孔隙形成的熱裂判據，認為液流補縮率小于凝固收縮速率和變形速率之和時將導致孔隙的形成，當發(fā)展的孔隙尺寸大于產生裂紋的臨界孔隙長度時，則出現熱裂。該判據將微觀縮孔引入熱裂判據，為熱裂研究提供了新的研究方向。

國內，徐 東[9]在鑄件凝固溫度場數值模擬基礎上，考慮了鑄件凝固速度、補縮能力、受阻部位的收縮，鑄型柔度與熱膨脹，建立了綜合的熱裂判據。

該判據著重考慮了鑄造材質、工藝參數等方面對熱裂的影響，實現起來容易，但該判據沒有直接反映誘發(fā)熱裂的本質力學參數，只能對熱裂進行簡單的定性預測，而不能進行定量分析。而康進武[10]則注重了對熱裂形成原因探究，提出熱裂發(fā)生需要兩個條件：①鑄件中的熱節(jié)處于屈服狀態(tài) ；②熱節(jié)凝固時間較長，使得粘塑性應變充分發(fā)展超過臨界值。該理論采用Von Mises屈服準則來判斷屈服，認為材料屈服前僅存在彈性與粘彈性變形，屈服后粘塑性變形起作用。如果等效應力與屈服應力σs的比值/σs＞1，則材料處于屈服狀態(tài)。材料屈服后，如果發(fā)展的粘塑性應變超過臨界值，則會產生熱裂。該標準可定性定量地預測熱裂的發(fā)生。

鑄造凝固過程十分復雜，熱裂機理不是十分明確，大多數熱裂判據的制定傾向于定性分析，而定量預測則由于數據缺乏，影響因素眾多使得實現起來很困難，也很難應用于工業(yè)實踐。SUYITNO[5,11]針對眾多學者提出的熱裂敏感性判據模型，模擬了不同鑄造工藝條件對熱裂的影響，與實驗結果做了對比。結果顯示，沒有一種熱裂模擬結果可與實驗結果完全一致，熱裂模型還有待進一步完善。

2.2影響熱裂的因素分析

鑄造合金化學成分、鑄造工藝參數、幾何參數是影響熱裂紋形成的重要因素。

合金的化學成分主要影響凝固區(qū)間，凝固區(qū)間大的合金比凝固區(qū)間小的合金熱裂傾向性大。SUYITNO[11]分析了某二元CU-AL合金銅含量對熱裂的影響，同時指出：共晶結構組成物的含量是衡量合金脆弱性的一種重要結構指標。MONROE[1]的研究表明降低含碳量，減小硫、磷等有害元素含量可有效減小熱裂。文獻[12-13] 研究指出，細化和均勻化晶粒可降低合金熱裂脆性，提高鑄造合金抵抗熱裂的能力。

鑄造工藝參數主要有澆注溫度、澆注速度、鑄型預熱溫度等。鑄件凝固時，因各點冷卻速度不同，使得鑄件中溫度分布不同，產生了熱梯度。存在熱梯度是鑄件產生應力、應變的主要原因。高溫下，合金表現為粘塑性行為，粘塑性應變是熱裂產生的重要因素，粘塑性應變隨澆注溫度與鑄型溫度的增加呈非線性增加[10]。任何澆注溫度下，鑄錠中心裂紋的敏感型都高于邊部熱裂敏感性。較低的澆注溫度，會減小熱裂傾向或消除熱裂；反之，較高的澆注溫度會使熱裂加劇[14]。澆鑄速度是影響熱裂最重要的鑄造參數，澆注溫度對熱裂的影響要比澆注速度對熱裂的影響小的多，增加澆鑄速度會使糊狀區(qū)厚度增加，鑄造合金熱梯度增大，鑄件凝固速度加快，應力應變增大，熱裂趨勢增大[11]。由此可看出，熱裂受澆注速度的影響最大，澆注溫度次之，受鑄型預熱溫度影響最小。

鑄件的幾何形狀和尺寸會影響熱量的傳遞，對熱裂形成具有重要影響。熱裂往往發(fā)生在熱節(jié)處，對不規(guī)則幾何形狀復雜鑄件，在截面面積相差較大部位會形成熱節(jié)，是熱裂紋容易萌生的部位。李慶泉[15]通過對薄壁復雜鑄鋼件熱裂紋宏微觀形貌分析，發(fā)現熱裂紋常見部位為鑄件壁厚差過渡部位及圓角部位。

鑄造合金的凝固過程是一個受多種因素綜合作用的過程，各因素相互關聯，交互作用，單純考慮某一因素的影響可能得不到正確的結果。

2.3熱裂模擬的實現

鑄件凝固過程熱裂紋模擬預測可借助具有力學模型或熱裂判據模型的大型通用有限元軟件或基于模擬軟件基礎上輔以自主開發(fā)程序來實現。實現的途徑一般采用兩種方法。一是應用具有力學模型的模擬軟件對鑄造合金凝固期間的熱力學行為進行模擬，然后運用計算的應力、應變判斷熱裂趨勢。該方法關鍵是描述凝固材料應力、應變等熱力學行為本構方程的建立，難點是需要有精確的凝固物理公式和熱物理參數和流變參數，而這些參數的獲得并不容易；二是利用已制定的熱裂預測判據模型通過模擬仿真結果判斷熱裂趨勢，該方法考慮了材料屬性、工藝參數和凝固參數等因素對熱裂的影響，容易應用在實踐中，但有時因缺乏物理背景，難于適用于各種變化的情況[11]。

熱裂的數值模擬實現中，提高模擬精度，使其結果盡可能符合生產實踐是數值模擬的主要目標。在鑄造合金的熱裂模擬過程中，影響模擬精度的因素主要有以下幾方面：

1) 材料熱物性參數的準確性所帶來的誤差

材料熱物性參數的準確性是保證模擬結果準確性的關鍵。材料的物性參數一般可通過軟件自帶的材料數據庫或查閱資料和試驗等途徑獲得。但由于受試驗條件限制，有些材料的物性參數不夠完善，不夠全面，這對仿真結果的準確性造成了一定誤差。

2) 網格劃分所帶來的誤差

為提高運算速度，節(jié)省內存消耗，大多采用在重要部位細化網格，次要部位粗化網格來進行分網。但對采用多大網格尺寸可滿足精度要求卻沒有定論，往往憑借經驗或采用試算來確定。MONROE[1]指出細化網格會影響熱裂趨勢預測，但改變時間步長卻對熱裂預測沒有影響。朱 慧[16]研究指出，溫度載荷時間步長主要影響計算收斂性,對計算精度影響較小。

3) 力學本構模型及數值計算方法不同所帶來的誤差

過去，熱裂為脆性斷裂這一觀點被人們普遍接受，熱裂模型一般采用彈塑性力學模型。隨著對熱裂研究的不斷深入，張家全[17]通過靜態(tài)拉伸試驗得出:熱裂紋是一種表觀脆性而本質塑性的斷裂。MATHIER V[18]也主張：斷裂力學可能不再是解釋熱裂的最好方法，更好的方法是基于損壞形成和累積的方法。

近年來，人們從糊狀區(qū)合金的流變性能、連貫性固相骨架形成過程等方面考慮建立了糊狀區(qū)力學本構模型，主要有基于流變學理論的五元件流變模型[10]和基于小變形理論的兩相平均體積守恒模型[7,18-19]。這些力學本構模型使得計算結果更加接近實際，然而由于模型中一些參數往往需通過實驗來確定，而高溫下對處于糊狀區(qū)合金的流變力學性能的測定很困難，目前人們僅對為數不多的幾種材料進行了實驗，如Al-Si合金、Al-Cu合金等，更多的材料由于缺乏實驗數據，因而在模擬中有作者將固態(tài)數據簡單地外推到相應糊狀區(qū)直至連貫性溫度點，也有索性采用簡化的力學模型，這些都將導致模擬精度的降低。

在溫度場與應力場的計算上，為充分發(fā)揮不同算法優(yōu)勢，溫度場的計算常采用有限差分法（FDM）或有限體積法（FVM）；而應力場則常采用有限元法（FEM）計算。因此近年來發(fā)展了FDM/ FEM集成算法[20-21]。但計算結果經不同算法轉化后，會因模型節(jié)點的不匹配帶來誤差，因而目前正向采用統一算法方向發(fā)展。廖敦明[22]基于微機和 Windows平臺，開發(fā)了FDM/FDM鑄件熱應力場數值模擬系統。但在采用FDM分析應力場時，為使模擬結果準確，要求網格劃分必須足夠細小，這樣極大地增加了內存消耗。采用統一算法，可方便實現溫度場與應力場的耦合，提高模擬精度。

4) 邊界條件處理所帶來的誤差

界面?zhèn)鳠嵯禂凳氰T件凝固模擬時的主要邊界條件，其正確設置對提高模擬精度、減小模擬誤差具有重要意義。因為凝固過程中的熱傳遞很多都體現在界面熱傳遞系數上。將界面?zhèn)鳠嵯禂翟O為常數這種方法，因其簡單仍然是目前普遍應用的一種方法。事實上，由于鑄件的凝固收縮，鑄件/鑄型間接觸會經歷由理想接觸直至分離形成宏觀氣隙的變化過程，此外界面?zhèn)鳠嵯禂狄矔軠囟扔绊懚兓?。精確設置的方法是利用實驗測定的數據進行反算，但事實證明將實驗結果標準化成通用公式表達是困難的，因而不具有通用性，應用也受到了限制。文獻[23]對影響界面?zhèn)鳠嵯禂档囊蛩丶澳壳澳M界面?zhèn)鳠嵯禂档奈宸N方法做了回顧。勵萍竹[24]采用非線性估算法和最小二乘法建立界面換熱系數隨時間變化的規(guī)律并分析了鑄型厚度對界面換熱系數的影響。宋廣勝[25]提出了一種處理鑄件/鑄型界面熱阻的虛擬界面單元法。徐艷[20]根據凝固過程中鑄件/鑄型的接觸狀態(tài)，計算了鑄件/鑄型的界面熱阻。但在計算界面熱阻時，該計算僅考慮了由表面粗糙度、涂料層性質決定的初始界面熱阻和空氣導熱熱阻，忽略氣隙部分的對流換熱和輻射換熱。FACKELDEY[26]綜合考慮鑄件/鑄型氣隙層空氣導熱和輻射引起的換熱系數，提出了鑄件/鑄型界面綜合換熱系數。

3　熱裂試驗研究

熱裂試驗研究目前主要有兩方面：一是對糊狀區(qū)材料的力學行為進行測試，獲得固液兩相區(qū)材料一定條件下失效的強度、屈服強度、延伸率等力學參數，為研究熱裂原理與制定熱裂紋判據模型提供數據。二是通過一定的試驗裝置，再現鑄件的熱裂現象，測試糊狀區(qū)合金在一定試驗條件下的延伸率、凝固受阻部位的拉伸強度等，結合熱裂斷口形貌分析，研究合金凝固時糊狀區(qū)力學行為，并將實驗數據與模擬結果相比較，驗證糊狀區(qū)力學模型、熱裂判據模型的有效性。

由此看出，熱裂模擬與熱裂試驗相輔相成，密不可分。熱裂模擬的基礎是糊狀區(qū)熱力學本構模型及熱裂判據模型的正確建立，而精確模擬的關鍵則主要依于糊狀區(qū)熱力學參數的測定。測試合金力學性能的必要條件是合金能保持一定形狀并能傳遞應力[27]。糊狀區(qū)材料因晶粒間存在液膜，因而強度與塑性低，試樣的定心性差，控制拉伸軸的取向困難，容易產生載荷的偏移，使測量精度降低。此外控制應變速率、記錄載荷并實時監(jiān)測實驗條件下熱裂處產生的真應力、應變等力學參數也是一個難點，因此對糊狀區(qū)材料力學性能的測試比較困難，一般不能直接用常規(guī)的拉伸試驗機檢測糊狀區(qū)合金的力學性能。Gleeble 1500和3500熱力模擬器由于擁有快速融化試樣，結合現代技術控制溫度、應變速率，獲得材料應力-應變等優(yōu)點，近年來常被用來研究重熔半凝固狀態(tài)合金的力學性能。兩端約束、中間集中變形的熱裂一維受阻模型，因其模型簡單，容易實現，又能集中反映熱裂的本質，因此常用來作為合金熱裂敏感性特點的典型實驗。

在熱裂試驗中，糊狀區(qū)材料可通過將待測試樣加熱重熔或液態(tài)合金冷卻凝固兩種方法使溫度達到糊狀區(qū)溫度范圍而獲得。通常采用拉伸、剪切、壓縮等試驗方法測試糊狀區(qū)材料在等溫條件下的力學行為。

ESKIN DG[28]重點對以往采用的拉伸、剪切試驗方法做了闡述。而MATHIER[29]設計了一種簡單拉伸實驗裝置，并將試驗得到的應力-應變曲線與模擬仿真結果作了比較，驗證了熱裂仿真模型的有效性。同時研究了不同固相分數下材料斷裂特點及機理。

文獻[30]對銅-鋁合金材質進行了純剪切實驗、排液壓縮實驗和拉伸實驗（實驗方法不再贅述），由得到的實驗結果確定了兩相平均體積守恒力學本構模型參數，接著采用ABAQUS軟件對該力學模型進行數值模擬，模擬結果較好地符合實驗結果。

多數再現熱裂現象的實驗方法是采用一定的實驗裝置限制鑄件凝固收縮使鑄件產生熱裂紋缺陷，同時通過力傳感器、PC系統和數據轉換器、熱電偶等實驗裝置實時監(jiān)測收縮載荷、凝固時溫度及應力-應變變化，室溫下目測檢查鑄件熱裂紋敏感性，并定量化鑄件表面裂紋開裂的數量和嚴重性。Nasresfahani[13]設計了一種定量評價T形鑄造合金熱裂趨勢的新設備。設計理念是去掉鑄棒兩端的鑄型約束，在T形模腔兩邊插入兩個螺栓取代鑄型來提供凝固收縮所必要的約束。鑄造合金凝固收縮產生的收縮力通過兩端的螺栓傳遞給與之相連的力傳感器，經數據傳輸與轉換，可得到實時載荷曲線。該裝置同時考慮了螺栓受熱膨脹對鑄件凝固收縮的影響，可通過兩相區(qū)應變率的定量分析比較不同鑄造合金的熱裂趨勢，不需要可見裂紋也可估算鑄造合金的熱裂敏感性。該裝置應用簡單，不需要專門經驗。

熱裂的定量研究，因受試驗條件限制，試驗對象往往簡單，考慮因素也不夠全面，不能真實反映現實復雜鑄造工藝條件，其應用范圍狹窄，具有一定的局限性。

4　結論

(1) 加強熱裂的理論研究，主要是明確熱裂形成機理及裂紋擴展模式。目前建立的熱裂判據模型大多只能對鑄造合金進行熱裂敏感性預測，而無法進行定量分析，更無法預測熱裂紋的大小及擴展路徑。有很多熱裂本構模型并非對所有鑄造條件都起作用，預測結果與工程實踐具有一定差距，建立綜合全面的、模擬結果符合工程實踐的熱裂判據模型是未來發(fā)展趨勢。

（2）熱裂形成與合金凝固過程自身特點、晶界狀態(tài)、力學行為等密切相關。高溫下，熱誘發(fā)的變形主要通過晶界滑移、擴散蠕變來完成。晶界滑移對改善晶粒組織，焊合鑄造合金疏松、空隙和裂紋等缺陷具有重要作用。而晶粒結構大小又會影響鑄造合金的塑性、強度等力學性能。因此目前熱裂研究正逐步由宏觀研究轉向微觀領域研究。未來，先進的熱裂標準將基于從晶粒模型中獲取微觀尺度來建立。

（3）所建立的糊狀區(qū)力學本構模型考慮因素更加全面，更加符合實際，但公式相對繁瑣復雜，計算量增大，且很大程度依賴于流變參數的確定。因而實驗研究確定糊狀區(qū)合金的流變參數成為模擬實現的關鍵。以后應重點加強合金材料高溫力學性能試驗研究。

（4）數值模擬軟件的功能更加強大，可以處理復雜的邊界條件，還可通過對軟件進行二次開發(fā)，輸入軟件自身沒有的力學本構模型或熱裂判據模型，使熱裂精確模擬成為可能。

［1］ MONROE CA，BECKERMANN C. Development of a hot tear indicator for use in casting simulation［J］，In Proceedings of The 58th SFSA Technical and Operating Conference，Steel Founders'Society of America，Chicago：IL，2004：1-13.

［2］ LAROUCHE D，LANGLAIS J，WU W， et al. A constitutive model for the tensile deformation of a binary aluminum alloy at high fractions of solid［J］. Metallurgical and Materials Transactions B. 2006，37B：431-442.

［3］ FEURER U: Quality control of engineering alloys and the role of metals science［J］.Delft University of Technology，Delft，The Netherlands，1977，131-145.

［4］ CLYNE TW，DAVIES GJ. The influence of composition on solidfication cracking susceptibility in binary alloy systems［J］. The British Foundryman, 1981，74：65-73 .

［5］ SUYITNO，KOOL WH, KATGERMAN L. Hot tearing criteria evaluation for direct-chill casting of an Al-4.5 pct Cu alloy. Metallurgical and Materials Transactions A.2005，36A：1537-1546.

［6］ RAPPAZ M，DREZET JM，GREMAUD M. A new hot-tearing criterion. Metallurgical and Materials Transactions A. 1999，30A：449-455.

［7］ M'HAMDI M， MO A， FJ?R HG TearSim：A two-phase model addressing hot tearing formation during aluminum direct chill casting. Metallurgical and Materials Transactions A［J］. 2006，37A：3069-3083.

［8］ SUYITNO，KOOL W H，KATGERMAN L. Integrated approach for prediction of hot tearing ［J］. Metallurgical and Materials Transactions A. 2009，40A：2388-2400.

［9］ 徐 東，安閣英.鑄鋼件熱裂紋的預測［J］.上海交通大學學報.1994，28（3）:10-16.

［10］ 康進武，熊守美，柳百成，等. 基于流變學模型的鑄鋼試件三維熱數值模擬及熱裂機理研究【J］. 中國機械工程，1999，10（11）：1302-1304.

［11］ SUYITNO, ESKIN DG, SAVRAN VI，et al.. Effects of alloy composition and casting speed on structure formation and hot tearing during direct-chill casting of Al-Cu alloys. Metallurgical And Materials Transactions A. 2004，35A： 3551-3561.

［12］ ESKIN DG and KATGERMAN L，Effect of structure on hot tearing properties of aluminum alloys［J］. Materials Science Forum.2007, 561-565：995-998.

［13］ NASRESFAHANI MR， NIROUMAND B. Design of a new hot tearing test apparatus and modification of its operation［J］. Metals and Materials International, 2010，16：35-38.

［14］ 張雪.7050鋁合金圓錠超聲鑄造微觀組織及熱裂敏感性研究［D］. 長沙：中南大學，2010.

［15］ 李慶泉，李雷.鑄鋼件熱裂紋的研究分析. 制造技術與實踐［J］. 2005. （6）：33-35.

［16］ 朱慧 , 康進武 , 黃天佑 . 鑄件熱應力影響因素研究. 熱加工工藝.2006 ,35 （13） :69-72.

［17］ 張家泉. 鋁合金氣缸蓋三維凝固模擬研究［D］. 北京：清華大學，1993.

［18］ MATHIER V, DREZET JM, RAPPAZ M. Two-phase modelling of hot tearing in aluminium alloys using a semi-coupled approach［J］. Modelling and Simulation In Materials Science and Engineering. 2007，15：121-134.

［19］ FARUP I， MO A. Two-Phase Modeling of mushy zone parameters associated with hot tearing［J］. Metallurgical and Materials Transactions A.2000，31A：1461-1472.

［20］ 徐艷, 康進武, 黃天佑. 接觸單元在鑄件鑄造過程應力數值模擬中的應用. 鑄造技術，2006，27（5）：506-510.

［21］ 劉小剛，康進武，黃天佑，等. 凝固過程應力場模擬技術在大型鑄鋼件中的應用.中國機械工程.2006，17（19）：2029-2033.

［22］ 廖敦明, 劉瑞祥, 陳立亮, 等. 基于有限差分法的鑄件凝固過程熱應力場數值模擬的研究. 鑄 造.2003，52（6）：420-425.

［23］ LEWIS RW，RANSING RS. A correlation to describe interfacial heat transfer during solidification simulation and its use in the optimal feeding design of castings. Metallurgical And Materials Transactions B.1998，29B：437-448.

［24］ 竹勵萍.金屬型鑄造凝固過程鑄件/鑄型界面換熱系數的研究［D］. 天津理工大學，2009.

［25］ 宋廣勝，路 明. 鑄件凝固溫度場有限元分析中界面熱阻處理［J］. 沈陽航空工業(yè)學院學報. 2002，19（4）：20-22.

［26］ FACKELDEY M，LUDWIG A，SAHM PR. Coupled modeling of the solidification process prediction temperatures，stresses and microstructures［J］. Computational Materials Science. 1996，7：194-199.

［27］ ESKIN DG，SUYITNO，KATGERMAN L. Mechanical properties in the semi-solid state and hot tearing of aluminium alloys［J］. Progress in Materials Science. 2004，49：629-711.

［28］ ［28］ MARTIN CL， BRACCINI M， SUERY M. Rheological behavior of the mushy zone at small strains［J］. Materials Science and Engineering A 2002，325：292-301.

［29］ MATHIER V，GRASSO PD，and RAPPAZ M. A new tensile test for aluminum alloys in the mushy state：experimental method and numerical modeling［J］. Metallurgical and Materials Transactions A. 2008，39A：1399-1409.

［30］ LUDWIG O， DREZET JM， MARTIN CL，et al.. Rheological behavior of Al-Cu alloys during solidification constitutive modeling，experimental identification, and numerical study［J］. Metallurgical and Materials Transactions A. 2005，36A：1525-1535.

［31］ 馬斌,潘鳳英,程亞軍.重型燃氣輪機排氣缸鑄件熱裂紋的預防措施［J］.中國鑄造裝備與技術, 2014，（6）：7-9.

［32］ 王永杰, 劉玉春, 荀希華,史鴻清.樹脂砂鑄造床身鑄件熱裂紋的防止［J］.中國鑄造裝備與技術, 2004，（5）：39.

Research progress on hot crack of casting

WU YongHong,LI YongTang,FU JianHua,JIA Lu
(Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024,Shanxi,China)

Hot crack is formed as a common casting defect at the solidification close to end. Hot crack has seriously affected the quality of castings, reduced the production efficiency, caused the industrial loss and even bring security risks. With the development of modern technology, it is put forward higher requirements on the quality of casting. In order to effectively avoid the defect of casting hot tearing, and Improve the quality of castings, Based on the analysis of casting hot crack formation mechanism, a comparative analysis is summarized for the hot crack criterion model formulation, the effects of casting alloy chemical composition, casting process parameters, geometric parameters on the formation of hot cracking are expounded; The numerical simulation method of hot crack is described in detail, and the various affecting factors of the accuracy of hot crack numerical simulation are analyzed, such as: model simplifed, mesh divided, the constitutive model of mechanics established, the numerical calculation method and treatment of boundary conditions; The main content and experimental method on hot cracking are discussed. It is pointed out that the emphases and the development direction of the future research of hot crack.

Casting；Hot crack；Constitutive model；Infuencing factors；Numerical simulation；Experimental study

TG250.6；

A；

1006-9658（2015）06-0007-07

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.06.003

國家自然科學基金重點（51135007）、高等學校博士點優(yōu)先發(fā)展（20111415130001）、 國家自然科學基金（51405325）資助項目

2015-05-22

稿件編號:1505-947

武永紅（1973—），女，博士研究生，主要研究方向為材料加工、設備及結構動力學分析.