裂紋

鋼錠在應力作用下，局部的實際變形量超過其塑性極限時，引起局部斷裂，即成裂紋。熱裂紋與冷裂紋具有不同的應力來源和斷裂機理。

鋼在凝固以後的溫降過程中，在三個溫度區段中，呈現為脆性。鋼中化學成分，特別是含碳量，影響其高溫脆性的嚴重程度和脆性溫度範圍。通常，鋼在剛凝固后不久，就進入第1個脆性溫度區域。此時，鋼錠凝固坯殼由於冷凝收縮而趨向離開鋼錠模壁的支承，從而承受著內部鋼水的靜壓力拉伸作用。同時，模壁某些不平整處阻礙鋼錠坯殼的收縮，也會產生拉伸應力作用於局部坯殼。由於鋼正處在高溫脆性區域，這類應力所引起的坯殼局部變形，很容易超過鋼的允許最大變形量，從而產生表面裂紋。隨著溫度的下降，不久又會進入鋼的第2個高溫脆性區域。對於低碳鋼而言，1000～1100℃是第2脆性區域。此時，由於鋼錠中各點的溫度和溫度變化速率不一樣，引起熱應力，很容易使局部變形超過允許最大變形量，從而產生表面裂紋和內裂紋，或者是使已有的裂紋擴大。

鋼中奧氏體的比容最小，鐵素體次之，馬氏體的比容最大。因此，隨著溫度

下降，鋼中奧氏體分解時，伴隨有體積膨脹。這種膨脹受到周圍材料約束而產生的應力，稱為相變組織應力。同時，由於鋼錠內外層存在顯著的溫度差和溫度變化速率的不同，鋼錠各點的熱膨脹變形大小就不同，相互約束而引起應力，稱為熱應力。在相變組織應力和熱應力作用下，鋼錠的某些局部發生脆性斷裂，即成冷裂紋。

冷裂紋是合金鋼的主要缺陷，經常在850～600℃溫度範圍內奧氏體發生分解時產生。有時，在300℃以下，由於殘餘奧氏體分解，也能形成冷裂紋。

熱裂紋防止措施 熱裂是鋼錠在熱應力作用下，局部變形超過允許最大變形量而產生的。因此，增加鋼的高溫塑性，即改善鋼的高溫抗裂性，就是防止鋼錠產生裂紋的一個重要方面。為此，降低鋼中硫含量，適當增加鋼中錳含量，採用變質劑或其它工藝措施增加鋼錠中的等軸晶率，均可增加鋼的抗裂性，起到防止裂紋的作用。

此外，針對各種裂紋形成時的外因，也有不同的防止措施。

收縮阻礙裂紋 收縮阻力作用於鋼錠表面。引起各類表面裂紋：

(1)飛翅旁的面縱裂和角縱裂。由於錠模內壁開裂，鋼液滲入形成飛翅，阻礙局部凝殼冷凝收縮，致使其近旁產生的裂紋。因此應將錠模內壁的開裂修磨平，以防其引起鋼錠裂紋。

(2)表面龜裂。由於鋼錠模內壁龜裂，鋼液滲入產生網狀飛翅，從而局部阻礙冷凝收縮，致成網狀裂紋。其防止措施是，注意鋼錠模內壁的修磨和鋼錠模更新。

(3)下部橫裂。由於模底磚損壞，鋼錠模底孔被熔蝕粘鋼而阻礙鋼錠縱向冷凝收縮，致使鋼錠下部產生橫裂。此外，若鋼錠模內壁過於粗糙，也會阻礙鋼錠縱向收縮，導致橫裂。防止措施是注意安放好模底磚，加強錠模修磨管理。

(4)頭部橫裂。由於保溫帽內襯破損、安裝不當，或者是鋼水溢出鋼錠模，造成鋼錠懸掛，使其頭部在錠重的拉力作用下而產生橫裂。為防止這種橫裂，正確安裝和安放保溫帽，需注意保溫帽與鋼錠模間的密封連接，以防鋼水滲入縫隙后造成懸掛。同時澆注時不要溢鋼造成懸掛。

(5)底部飛邊裂紋。由於錠模與底盤接合不緊密，鋼水滲入形成飛邊阻礙底部收縮而產生。故需注意模底面修磨和列模操作良好。

(6)凸塊阻礙裂紋。由於模壁凹坑造成錠面凸塊，阻礙坯殼局部收縮，致成裂紋。需修磨平模壁上的凹坑。

(7)重皮鄰近裂紋。由於重皮對坯殼局部收縮的阻礙，產生收縮阻礙應力。同時由於在重皮邊緣處鋼水滲入不滿，形成表面凹坑，此處導熱惡化，坯殼較薄。故而在重皮鄰近處產生裂紋。為防止這種裂紋產生澆注時應恰當控制注速，變化緩慢、開澆穩定，防止重皮形成。

(8)黏模阻礙裂紋。由於模溫或注溫過高，造成坯殼粘模，阻礙收縮，致成裂紋。其防止措施是，合理控制模溫和注溫。

扁錠寬面縱裂 錠殼承受鋼水靜壓力時，其橫截面的每一個邊均似一個兩端固定而承受靜壓均布載荷的梁。其寬面上樑的兩支點跨度最大，故寬面中心所受拉應力最大，極易引起縱裂。為減小該處的拉應力，就要設法減小鋼錠寬面上受靜壓力支承點之間的距離。為此，對於一般扁錠，應控制寬厚比不大於3；對於大扁錠，可在寬面上設計幾條縱向凸筋，以增加模壁對坯殼的支點，減小支點之間的跨度。

軸心晶間裂紋 在錠心凝固時，鋼錠外層約束著心部的凝固收縮，產生拉力，致使錠心產生放射狀的裂紋。此時，若錠心鋼液的流動性不好，不能補流入已出現的裂紋，則裂紋將留存下來而成軸心晶間裂紋。含鉻量高的鋼種，諸如Cr5Mo、1Crl3、Crl7、Cr25、Cr27、18CrNiW等，導熱性差、高溫塑性差、流動性差，因而易產生這種裂紋。其防止辦法是，增大錠模錐度，以改善錠心凝固時鋼液補入的條件，從而充填消除軸心晶間裂紋。此外，加大鋼錠的加工壓縮比，也可促使軸心晶間裂紋彌合。

冷裂紋的防止措施 由於相變而發生的組織應力是引起冷裂紋的主要原因。因此，在冷卻過程中，相變體積膨脹愈小的鋼種則冷裂傾向愈小。故而萊氏體鋼和馬氏體鋼的冷裂傾向最大，珠光體鋼次之，鐵素體鋼較小；奧氏體鋼冷卻時無相變，基本不產生冷裂。為了防止冷裂，可以讓冷凝完畢的鋼錠緩慢冷卻，長時間保持較高溫度，保證奧氏體能充分分解成珠光體，以減小相變組織應力。在實際操作中，根據鋼種不同和鋼錠的大小不同，亦即根據其熱應力和相變組織應力的嚴重程度不同，可以採用不同的緩冷措施。

常用的緩冷措施有3種：

(1)模冷，即讓鋼錠留在已被加熱的錠模內慢慢冷卻后再脫模；

(2)坑冷，即將脫模的紅熱鋼錠堆入一個耐火材料砌成的保溫坑內緩慢冷卻；

(3)退火，即將脫模的紅熱鋼錠送入專用的退火爐，進行長時間退火，保證奧氏體組織完全分解成珠光體。

通常，針對不同鋼種和鋼錠大小，分別選用的措施有：

(1)珠光體鋼(含合金元素較少、含碳較低)採用模冷。

(2)珠光體鋼(含合金元素較多、含碳較高)，小鋼錠採用模冷，大鋼錠採用坑冷。

(3)珠光體-馬氏體鋼，採用坑冷或退火。

(4)半鐵素體-半馬氏體鋼、含碳較少的馬氏體鋼，小鋼錠採用坑冷，大鋼錠採用退火。

(5)馬氏體鋼(含碳量較高)、萊氏體鋼，均應採用退火。

一位做翡翠的朋友和我說：他發現翡翠首飾--尤其是手鐲，其細部特徵在人佩帶的過程中會有變化，他就見過一個有裂紋的手鐲，主人長期佩帶后，裂紋變化為飄花。當時我聽后，認為荒謬。我知道翡翠首飾會因長期佩帶有點變化，但是不相信裂紋會變成飄花，因為沒有見到過。但不久后的一天，我親眼見到了朋友所說的情況。一個親戚想換手鐲，請我把原來戴的玻璃種手鐲帶到瑞麗賣。親戚的手鐲7年前買的時候我見過，有條橫裂紋，雖然裂紋不大，但已經影響到手鐲賣相。我告訴她，不能賣到她要求的那個價錢，因為手鐲有裂紋。

可她說，現在已經沒有了。我吃了一驚，仔細看手鐲，沒有發現裂紋，再用強光燈看，還是沒有。在她的提醒下，我發現手鐲上有一條飄花和其他的飄花有區別，是一條非常直的飄花，翠色從線條中散開向兩邊，飄花的顏色和手鐲上其他飄花的顏色一樣。之後我問了很多人，一位年長的翡翠商告訴我，以前他曾見過表面有裂的翡翠毛料，切開后裂紋由外至內變成石紋和飄花，最後消失了。那一刻，我不得不相信，翡翠的裂紋，也會癒合。

根據裂紋的幾何特徵，可將裂紋分為穿透裂紋、深埋裂紋和表面裂紋三種。 （1）穿透裂紋：貫穿構件整個厚度，常將裂紋延伸到厚度一半以上的裂紋視為穿透裂紋，作為理想尖端裂紋處理，即裂紋尖端的曲率半徑趨於零。可以為直線的、曲線的和其他形狀的。裂紋的幾何特徵分類（2）深埋裂紋：位於構件內部，常簡化為橢圓片狀裂紋或圓片狀裂紋。 （3）表面裂紋：位於構件表面或深度相對構件厚度比較小，常簡化為半橢圓形裂紋。

根據裂紋的力學特徵，可將裂紋分為張開型、滑開（移）型和撕開（裂）型三種。 （1）張開型裂紋：稱“Ⅰ”型裂紋，在與裂紋面正交的拉應力σ作用下，裂紋面產生張開位移（位移與裂紋面正交、沿拉應力方向）。裂紋面的上表面點和下表面點沿y方向的位移分量v不連續。 （2）滑開（移）型裂紋：稱“Ⅱ”型裂紋，在與裂紋面平行且與裂紋尖端線垂直方向切應力τ作用下，使裂紋產生沿裂紋面（切應力方向）的相對滑動而形成。上、下表面點沿x方向的位移分量u不連續。 （3）撕開（裂）型裂紋：稱“Ⅲ”型裂紋，在與裂紋面平行且與裂紋尖端線亦平行的切應力τ作用下，使裂紋面產生沿裂紋外（切應力方向）的相對滑動而形成。上、下表面點沿z方向的位移分量w不連續。