裂纹(crack)

一种钢锭缺陷。裂纹按照在钢锭上存在的部位，可分为表面裂纹(图1)和内部裂纹(图2)。表面裂纹于精整时用肉眼即可观察到，其中的横向裂纹能引起轧材拉裂，纵向裂纹能引起轧材劈裂；内裂纹只有在低倍检验或无损探伤时才可发现，它可引起轧材的内裂，严重时能造成轧材分层。裂纹按形成的时期，可分为热裂纹和冷裂纹。前者是在钢锭凝固过程中或凝固后不久，由于热应力、钢液静压力、锭壳收缩阻力和其他外力的作用而引起的；后者是在钢锭冷却到固态相变时，由于相变组织应力和热应力的作用而引起。冷裂纹形成时有金属响声，故亦称“响裂”。热裂纹的断口粗糙、无光泽；冷裂纹的断口光滑、有金属光泽。

裂纹成因       

钢锭在应力作用下，局部的实际变形量超过其塑性极限时，引起局部断裂，即成裂纹。热裂纹与冷裂纹具有不同的应力来源和断裂机理。

热裂纹的成因        

钢在凝固以后的温降过程中，在三个温度区段中，呈现为脆性。钢中化学成分，特别是含碳量，影响其高温脆性的严重程度和脆性温度范围。通常，钢在刚凝固后不久，就进入第1个脆性温度区域。此时，钢锭凝固坯壳由于冷凝收缩而趋向离开钢锭模壁的支承，从而承受着内部钢水的静压力拉伸作用。同时，模壁某些不平整处阻碍钢锭坯壳的收缩，也会产生拉伸应力作用于局部坯壳。由于钢正处在高温脆性区域，这类应力所引起的坯壳局部变形，很容易超过钢的允许最大变形量，从而产生表面裂纹。随着温度的下降，不久又会进入钢的第2个高温脆性区域。对于低碳钢而言，1000～1100℃是第2脆性区域。此时，由于钢锭中各点的温度和温度变化速率不一样，引起热应力，很容易使局部变形超过允许最大变形量，从而产生表面裂纹和内裂纹，或者是使已有的裂纹扩大。

冷裂纹的成因

钢中奥氏体的比容最小，铁素体次之，马氏体的比容最大。因此，随着温度下降，钢中奥氏体分解时，伴随有体积膨胀。这种膨胀受到周围材料约束而产生的应力，称为相变组织应力。同时，由于钢锭内外层存在显著的温度差和温度变化速率的不同，钢锭各点的热膨胀变形大小就不同，相互约束而引起应力，称为热应力。在相变组织应力和热应力作用下，钢锭的某些局部发生脆性断裂，即成冷裂纹。

冷裂纹是合金钢的主要缺陷，经常在850～600℃温度范围内奥氏体发生分解时产生。有时，在300℃以下，由于残余奥氏体分解，也能形成冷裂纹。

热裂纹防止措施         

热裂是钢锭在热应力作用下，局部变形超过允许最大变形量而产生的。因此，增加钢的高温塑性，即改善钢的高温抗裂性，就是防止钢锭产生裂纹的一个重要方面。为此，降低钢中硫含量，适当增加钢中锰含量，采用变质剂或其它工艺措施增加钢锭中的等轴晶率，均可增加钢的抗裂性，起到防止裂纹的作用。

此外，针对各种裂纹形成时的外因，也可有不同的防止措旋。

收缩阻碍裂纹        

收缩阻力作用于钢锭表面。引起各类表面裂纹：(1)飞翅旁的面纵裂和角纵裂。由于锭模内壁开裂，钢液渗入形成飞翅，阻碍局部凝壳冷凝收缩，致使其近旁产生的裂纹。因此应将锭模内壁的开裂修磨平，以防其引起钢锭裂纹。(2)表面龟裂。由于钢锭模内壁龟裂，钢液渗入产生网状飞翅，从而局部阻碍冷凝收缩，致成网状裂纹。其防止措施是，注意钢锭模内壁的修磨和钢锭模更新。(3)下部横裂。由于模底砖损坏，钢锭模底孔被熔蚀粘钢而阻碍钢锭纵向冷凝收缩，致使钢锭下部产生横裂。此外，若钢锭模内壁过于粗糙，也会阻碍钢锭纵向收缩，导致横裂。防止措施是注意安放好模底砖，加强锭模修磨管理。(4)头部横裂。由于保温帽内衬破损、安装不当，或者是钢水溢出钢锭模，造成钢锭悬挂，使其头部在锭重的拉力作用下而产生横裂。为防止这种横裂，正确安装和安放保温帽，需注意保温帽与钢锭模间的密封连接，以防钢水渗入缝隙后造成悬挂。同时浇注时不要溢钢造成悬挂。(5)底部飞边裂纹。由于锭模与底盘接合不紧密，钢水渗入形成飞边阻碍底部收缩而产生。故需注意模底面修磨和列模操作良好。(6)凸块阻碍裂纹。由于模壁凹坑造成锭面凸块，阻碍坯壳局部收缩，致成裂纹。需修磨平模壁上的凹坑。(7)重皮邻近裂纹。由于重皮对坯壳局部收缩的阻碍，产生收缩阻碍应力。同时由于在重皮边缘处钢水渗入不满，形成表面凹坑，此处导热恶化，坯壳较薄。故而在重皮邻近处产生裂纹。为防止这种裂纹产生浇注时应恰当控制注速，变化缓慢、开浇稳定，防止重皮形成。(8)黏模阻碍裂纹。由于模温或注温过高，造成坯壳粘模，阻碍收缩，致成裂纹。其防止措施是，合理控制模温和注温。

扁锭宽面纵裂        

锭壳承受钢水静压力时，其横截面的每一个边均似一个两端固定而承受静压均布载荷的梁。其宽面上梁的两支点跨度最大，故宽面中心所受拉应力最大，极易引起纵裂。为减小该处的拉应力，就要设法减小钢锭宽面上受静压力支承点之间的距离。为此，对于一般扁锭，应控制宽厚比不大于3；对于大扁锭，可在宽面上设计几条纵向凸筋，以增加模壁对坯壳的支点，减小支点之间的跨度。

轴心晶间裂纹       

在锭心凝固时，钢锭外层约束着心部的凝固收缩，产生拉力，致使锭心产生放射状的裂纹。此时，若锭心钢液的流动性不好，不能补流入已出现的裂纹，则裂纹将留存下来而成轴心晶间裂纹。含铬量高的钢种，诸如Cr5Mo、1Crl3、Crl7、Cr25、Cr27、18CrNiW等，导热性差、高温塑性差、流动性差，因而易产生这种裂纹。其防止办法是，增大锭模锥度，以改善锭心凝固时钢液补入的条件，从而充填消除轴心晶间裂纹。此外，加大钢锭的加工压缩比，也可促使轴心晶间裂纹弥合。

冷裂纹的防止措施       

由于相变而发生的组织应力是引起冷裂纹的主要原因。因此，在冷却过程中，相变体积膨胀愈小的钢种则冷裂倾向愈小。故而莱氏体钢和马氏体钢的冷裂倾向最大，珠光体钢次之，铁素体钢较小；奥氏体钢冷却时无相变，基本不产生冷裂。为了防止冷裂，可以让冷凝完毕的钢锭缓慢冷却，长时间保持较高温度，保证奥氏体能充分分解成珠光体，以减小相变组织应力。在实际操作中，根据钢种不同和钢锭的大小不同，亦即根据其热应力和相变组织应力的严重程度不同，可以采用不同的缓冷措施。常用的缓冷措施有3种：(1)模冷，即让钢锭留在已被加热的锭模内慢慢冷却后再脱模；(2)坑冷，即将脱模的红热钢锭堆入一个耐火材料砌成的保温坑内缓慢冷却；(3)退火，即将脱模的红热钢锭送入专用的退火炉，进行长时间退火，保证奥氏体组织完全分解成珠光体。通常，针对不同钢种和钢锭大小，分别选用的措施有：(1)珠光体钢(含合金元素较少、含碳较低)采用模冷。(2)珠光体钢(含合金元素较多、含碳较高)，小钢锭采用模冷，大钢锭采用坑冷。(3)珠光体-马氏体钢，采用坑冷或退火。(4)半铁素体-半马氏体钢、含碳较少的马氏体钢，小钢锭采用坑冷，大钢锭采用退火。(5)马氏体钢(含碳量较高)、莱氏体钢，均应采用退火。