焊接裂紋

1、1,第五章焊接裂紋,2,第一節(jié)概述,第二節(jié)焊接熱裂紋,第三節(jié)焊接冷裂紋,第四節(jié)再熱裂紋,第五節(jié)層狀撕裂,第六節(jié)應(yīng)力腐蝕裂紋,第七節(jié)焊接裂紋綜合分析和判斷,第五章 焊接裂紋,3,重點(diǎn)內(nèi)容,1、裂紋的分類用一般特征2、結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理、影響因素，及其防冶措施3、焊接冷裂紋的形成機(jī)理，4、應(yīng)力腐蝕裂紋形成機(jī)理５、層狀撕裂產(chǎn)生原因及防止、６焊接裂紋綜合分析及判斷，各種裂紋斷口形貌特征。,4,,§5-1

2、概述,一、危害性 焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋輕者需要返修，浪費(fèi)人力、物力、時間，重者造成焊接結(jié)構(gòu)報廢，無法修補(bǔ)。更嚴(yán)重者造成事故、人身傷亡。如1969年有一艘5萬噸的礦石運(yùn)輸船在太平洋上航行時，斷裂成兩段而沉沒，在壓力容器破壞事故中，有很多都是由于焊接裂紋造成。因此，解決研究焊接裂紋已成為當(dāng)前主要課題。,5,二、種類,各種不同類型的裂紋①焊縫中縱向裂紋　　　②焊縫上橫向裂紋③熱影響區(qū)縱向裂紋　　④熱影響區(qū)橫向裂紋⑤火口

3、（弧坑）裂紋　?、藓傅老铝鸭y⑦焊縫內(nèi)部晶間裂紋　?、嗪钢毫鸭y⑨熱影響區(qū)焊縫貫穿裂紋⑩焊縫根部裂紋,6,7,分類:,1、 按裂紋分布的走向分,縱向裂紋,2、  按裂紋發(fā)生部位分,①橫向裂紋 ②縱向裂紋 ③星形（弧形裂紋）,①焊縫金屬中裂紋 ②熱影響區(qū)中裂紋③焊縫熱影響區(qū)貫穿裂紋,8,3 、按產(chǎn)生本質(zhì)分類,1）、熱裂紋 （高溫裂紋）產(chǎn)生：熱裂紋(高溫裂紋)高溫下產(chǎn)生存在部位：焊縫為主,熱影響區(qū),特征：宏觀看

4、, 沿焊縫的軸向成縱向分布（連續(xù)或繼續(xù)）也可看到縫橫向裂紋，裂口均有較明顯的氧化色彩，表面無光澤，微觀看，沿晶粒邊界（包括亞晶界）分布，屬于沿晶斷裂性質(zhì),9,1)、熱裂紋分類,結(jié)晶裂紋：在凝固的過程--結(jié)晶過程中產(chǎn)生高溫液化裂紋：在高溫下產(chǎn)生,鋼材或多層焊的層間金屬含有低熔點(diǎn)化合物經(jīng)重新溶化，在收縮應(yīng)力作用下,沿奧氏體晶間發(fā)生開裂多邊化裂紋：產(chǎn)生溫度低于固相線溫度,存在晶格缺陷(位錯和空位),物理化學(xué)的不均勻性,在應(yīng)力作用下,缺陷聚

5、集形成多邊化邊界,使強(qiáng)度塑性下降,沿多邊化邊界開裂,多發(fā)生純金屬或單相奧氏體合金焊縫。,10,,,,,,,HAZ液化裂紋,晶間裂紋,,多邊化裂紋,,,,11,12,2）、再熱裂紋（消除應(yīng)力處理裂紋）,由于重新加熱（熱處理）過程中產(chǎn)生稱再熱裂紋—消除應(yīng)力處理裂紋。,13,14,3）、冷裂紋,產(chǎn)生溫度：溫度區(qū)間在+100℃～-75℃之間 存在部位:多在熱影響區(qū),但也有發(fā)生在焊縫。特征（斷口）：宏觀斷口具有發(fā)亮的金屬光澤的脆性斷裂特

6、征。微觀看：晶間斷裂，但也可穿晶（晶內(nèi)）斷裂，也可晶間和穿晶混合斷裂。,15,冷裂紋分類：,延遲裂紋：特點(diǎn)不在焊后立即出現(xiàn)，有一段孕育期產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象稱延遲裂紋。淬硬脆化裂紋（淬火裂紋）：淬硬傾向大的組織易產(chǎn)生這種裂紋（與氫含量關(guān)系不大）。 低塑性脆化裂紋：在比較低的溫度下，由于收縮應(yīng)變超過了材料本身的塑性儲備產(chǎn)生的裂紋稱低塑性脆化裂紋。,16,延遲裂紋,,,,,,,,17,4）、層狀撕裂：,由于軋制母材內(nèi)部存在有分層的夾雜物(特

7、別是硫化物夾雜物）和焊接時產(chǎn)生的垂直軋制方向的應(yīng)力，使熱影響區(qū)附近地方產(chǎn)生呈“臺階”狀的層狀斷裂并有穿晶發(fā)展。,,,,,,,,18,5）、應(yīng)力腐蝕裂紋：,金屬材料在某些特定介質(zhì)和拉應(yīng)力共同作用下所產(chǎn)生的延遲破裂現(xiàn)象，稱應(yīng)力腐蝕裂紋。,,19,三、熱裂紋與冷裂紋的基本特點(diǎn),本節(jié)結(jié)束,20,§5-2 焊接熱裂紋,一、結(jié)晶裂紋 1、  產(chǎn)生機(jī)理 1）產(chǎn)生部位：結(jié)晶裂紋大部分都沿焊縫樹枝狀結(jié)晶的交界處發(fā)

8、生和發(fā)展的，常見沿焊縫中心長度方向開裂即縱向裂紋，有時焊縫內(nèi)部兩個樹枝狀晶體之間。對于低碳鋼、奧氏體不銹鋼、鋁合金、結(jié)晶裂紋主要發(fā)生在焊縫上某些高強(qiáng)鋼，含雜質(zhì)較多的鋼種，除發(fā)生在焊縫之處，還出現(xiàn)在近縫區(qū)上。,21,,,,,,結(jié)晶裂紋,22,23,24,25,26,27,2）、熔池各階段產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向,在焊縫金屬凝固結(jié)晶的后期，低熔點(diǎn)共晶物被排擠在晶界，形成一種所謂的“液態(tài)薄膜”，在焊接拉應(yīng)力作用下，就可能在這薄弱地帶開裂，產(chǎn)生

9、結(jié)晶裂紋。 產(chǎn)生結(jié)晶裂紋原因：①液態(tài)薄膜 ②拉伸應(yīng)力 液態(tài)薄膜—根本原因 拉伸應(yīng)力—必要條件,28,②固液階段：這一區(qū)也稱為“脆性溫度區(qū)”即圖上a、b之間的溫度范圍,③固相階段：也叫完全凝固階段,,以低碳鋼焊接為例可把熔池的結(jié)晶分為以下三個階段,①液固階段：（1區(qū)）,Tb—稱為脆性溫度區(qū)，在比區(qū)間易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，雜質(zhì)較少的金屬, Tb小產(chǎn)生裂紋的可能性也小，雜質(zhì)多的金屬Tb大，產(chǎn)生裂紋的傾向也大,29,3

10、0,3）產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件,在ＴＢ焊縫的塑性用P表示, 當(dāng)在某一瞬時溫度時有一個最小的塑性值（Pmin)（出現(xiàn)液態(tài)薄膜時）受拉伸應(yīng)力所產(chǎn)生的變形用e表示，也是溫度的函數(shù) .,31,在脆性溫度區(qū)焊縫所承受的拉伸應(yīng)力所產(chǎn)生的變形大于焊縫金屬所具有的塑性時產(chǎn)生裂紋即 高溫階段晶間塑性變形能力不足以承受當(dāng)時所發(fā)生塑性應(yīng)變量。,產(chǎn)生裂紋的條件,32,②脆性溫度區(qū)（TB）內(nèi)金屬的塑性，TB內(nèi)金屬的塑性越小，越易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋

11、。,結(jié)論：,①脆性溫度區(qū)間大小, TB大，拉應(yīng)力作用時間長，產(chǎn)生裂紋可能性大，決定于焊縫化學(xué)成分，雜質(zhì)性質(zhì)與分布，晶粒大小。,③TB內(nèi)隨溫度降低變形的增長率（拉伸應(yīng)力的增長率）,臨應(yīng)變率CST越大,則表示材料的熱裂紋敏感性越小,越不易產(chǎn)生裂紋。,33,2、焊接結(jié)晶裂紋的影響因素,1）、冶金因素 ①結(jié)晶溫度區(qū)間：合金狀態(tài)圖脆性溫度區(qū)的大小隨著該合金的整個結(jié)晶溫度區(qū)間的增加而增加,,,,34,②合金元素 a)、S、P,

12、i)S、P增加結(jié)晶溫度區(qū)間,脆性溫度區(qū)間TB↑裂紋↑,ii)S、P產(chǎn)生低溫共晶,使結(jié)晶過程中極易形成 液態(tài)薄膜,因而顯著增大裂紋傾向,,iii)P、S引起成分偏析.P、S偏析系數(shù)K越大,偏析的程度越嚴(yán)重.偏析可能在鋼的局部地方形成低熔點(diǎn)共晶產(chǎn)生裂紋。,35,b)、C i)、C0.16% Mn/S↑無效,加劇P有害作用 裂↑ iii)、C>0.51% 初生相初生相 S、P在小相中溶解度低，析出S

13、、P集富在晶界上，裂紋↑,Mn具有脫S作用 其中Mn熔點(diǎn)高，早期結(jié)晶星球狀分布，抗裂↑,含碳量C0.016% P對形成結(jié)晶裂紋的作用超 過了S，Mn↑無意義,c)、Mn,注意：,36,d)、Si 硅是 相形成元素，利于消除結(jié)晶裂紋 ,　　相中S、P溶解度大緣故，Si>0.4% 易形成低熔點(diǎn)的硅酸鹽夾雜使裂↑,對硫的親合力大，形成高熔點(diǎn)的硫化物，消除結(jié)晶裂紋

14、有良好的作用。,e)、Ti 、鋯（Zｒ）和稀土元素,37,注：A１ 焊縫中加入輕稀土１％,焊縫成分分析,例如：強(qiáng)度為600MPa焊條研究,38,圖2 焊縫沖擊斷口掃描形貌焊縫沖擊斷口SEM形貌(a)、(b)、(c) 未加入稀土 (d)、(e)、(f) 加入2%稀土,39,,,焊縫金屬金相組織a、未加入稀土 b、加入2%稀土,40,f)、O,O↑降低S的有害作用，氧、硫、鐵能形成Fe-FeS-

15、FeO三元共晶，使FeS由薄膜變成球狀，裂↓,日本JWS臨界應(yīng)變增長率CST,CST=(-19.2C-97.2S-0.8Cu-1.0Ni+ 3.9Mn+65.7Nb-618.5B+7.0)*10-4,當(dāng)時，可以防止裂紋,熱裂敏感系數(shù)HCS公式,當(dāng)HCS<4時，可以防止裂紋,41,③凝固時界面張力,雜質(zhì)的低熔點(diǎn)共晶所造成的液態(tài)薄膜是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的重要因素，若將晶界的液態(tài)薄膜改變?yōu)榍驙畹男螒B(tài)，抗裂性↑,42,,—

16、固體晶粒與殘液之間的表面張力—固體晶粒之間的表面張力—固相與液相的接觸角當(dāng) 越小 越小 =0.5 =0 殘液在固體晶粒以薄膜存在裂↑=180°殘液以球狀形態(tài)分布裂↓,/,,固相晶粒之間和固液之間表面張力的平衡關(guān)系為,43,④一次結(jié)晶組織形態(tài)及組織對結(jié)晶裂紋的影響,晶粒大?。壕Я４执罅鸭y的傾向↑初生相： 相裂↑

17、 裂 ↓ 線膨脹系數(shù)小于 ， 相變應(yīng)力↓裂↓,44,2)、力的因素,在焊接時脆性溫度區(qū)內(nèi)金屬的強(qiáng)度要小在脆性溫度區(qū)內(nèi)金屬所承受的拉伸應(yīng)力。 產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的充分條件。,,—在脆性溫度區(qū)內(nèi)金屬的強(qiáng)度,—在脆性溫度內(nèi)金屬所承受的拉伸應(yīng)力,金屬的強(qiáng)度,決定于,—晶內(nèi)強(qiáng)度,—晶間強(qiáng)度,45,T↑ ↓,T> 時， > 發(fā)生斷裂晶間斷裂,T→ =,—稱金屬的等強(qiáng)溫

18、度,若焊縫所受拉伸應(yīng)力為 隨溫度變化始終不超過 ，則不會產(chǎn)生結(jié)晶裂紋 產(chǎn)生結(jié)晶裂紋,↓,產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件是冶金因素和力共同作 用，二者缺一不可,46,3、防止結(jié)晶裂紋的措施,1）、冶金方面 ①控制焊縫中有害雜質(zhì)的含量，限制S、P、C含量S、P<0.03-0.04焊絲C<0.12% (低碳鋼)焊接高合金鋼，焊絲超低碳焊絲②改善焊縫的一次結(jié)晶細(xì)化晶粒，加入Mo、V、Ti

19、、Nb、Zr、Al,47,2)、工藝方面（減少拉應(yīng)力）,應(yīng)變率 , E ↑、 ↑應(yīng)變率 ↓接頭預(yù)熱型式 適當(dāng)增加線能量（q/v）接頭型式合理妥善安排焊接次序焊次序,,,,,,48,四、近縫區(qū)液化裂紋,1、  產(chǎn)生部位及材料 通常產(chǎn)生在母材的熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，也可產(chǎn)生在多層焊縫的焊層之間液化裂紋屬于晶間開裂性質(zhì)，裂紋斷口呈典型的晶間開裂特征。 2、 產(chǎn)生原因

20、 1）、近縫區(qū)晶界處存在低熔點(diǎn)雜質(zhì) 2）、近縫區(qū)存在晶間液膜(低熔點(diǎn)共晶體),49,,,,液化裂紋,50,3、影響因素,1）、化學(xué)成分2）、工藝因素,4、防止措施,1）、控制S、P等雜質(zhì)含量如采用電渣精煉的方法，去除合金中的雜質(zhì)。2）、焊接工藝上，采用小線能量，避免近縫區(qū)晶粒粗化,51,五、多邊化裂紋,1、形成條件（形成機(jī)理） 多邊化現(xiàn)象，焊縫金屬中存在很多高密度的位錯在高溫和應(yīng)力的共同作用下，位錯極易

21、運(yùn)動，在不同平面上運(yùn)動的刃型位錯遇到障礙時可能發(fā)生攀移，由原來的水平組合變成后來的垂直組合，即形成“位錯壁”就是多邊化現(xiàn)象。,52,2、特點(diǎn),1）、發(fā)生部位與材料 發(fā)生在焊縫中，常見于單相奧氏鋼或純金屬的焊縫金屬 裂紋走向：以任意方向貫穿樹枝狀結(jié)晶2）、常常伴隨有再結(jié)晶晶粒出現(xiàn)在裂紋附近，多邊化裂紋總是遲于再結(jié)晶3）、裂紋多發(fā)生在重復(fù)受熱金屬中（多層焊）4）、斷口呈現(xiàn)出高溫低塑性斷裂,53,3、影響因素,形成多邊化過程

22、所需時間： t－完成多邊化過程所需時間－常數(shù)u－多邊化過程的激活能，決定于合金成分和應(yīng)力狀態(tài)R－氣體常數(shù)（8.4J/mol﹒k）T－溫度（K）從公式中可以看出，完成多邊化過程所需時間與H、T有關(guān),54,1）合金成分的影響 在焊縫中加入一些提高多邊化過程激活能的元素，可有效阻止多邊化過程2）應(yīng)力狀態(tài)的影響 有應(yīng)力存在，使多邊化過程加速 3）溫度的影響 在形成多邊化過程的溫度越高時

23、間越短,本節(jié)結(jié)束,55,§5-3 焊接冷裂紋,1.產(chǎn)生溫度:Ms點(diǎn)附近或200～300℃以下溫度區(qū)間 2.產(chǎn)生的鋼種和部位:發(fā)生在高碳鋼、中碳鋼、低合金、中合金高強(qiáng)鋼，熱影響區(qū)合金元素多的超高強(qiáng)鋼、Ti合金發(fā)生在焊縫 3.裂紋的走向：沿晶、穿晶 4.產(chǎn)生時間:可焊后立即出現(xiàn)，也有的幾小時，幾天或更長時間,一、冷裂紋的一般特征,56,二、冷裂紋種類,延遲裂紋是冷裂紋中一種最普遍的形態(tài)，它不是焊后出現(xiàn)，因此危害性更大

24、,延遲裂紋三種形態(tài) ：,1）、焊趾裂紋—縫邊裂紋 2）、焊道下裂紋,3）、根部裂紋,57,三、延遲裂紋的機(jī)理,高強(qiáng)鋼焊接時產(chǎn)生延遲裂紋的原因主要是：鋼種的淬硬傾向；焊接接頭的含氫量及其分布，焊接接頭的拘束應(yīng)力。延遲裂紋的開裂過程存在這兩個不同的過程，即裂紋的起源和裂紋的擴(kuò)展，擴(kuò)展到一定情況下，發(fā)生斷裂，我們只從宏觀的角度闡述一下產(chǎn)生延遲裂紋的三要素。,58,,,F+P,A,M,A,裂,59,60,1、鋼種的淬硬傾向,焊接接頭的淬硬傾向

25、主要決定于鋼種的化學(xué)成分，其次是焊接工藝，結(jié)構(gòu)板厚及冷卻條件。鋼種淬硬傾向越大，越容易產(chǎn)生裂紋，其原因?yàn)?：,1）、形成脆硬的馬氏體 2）、淬硬產(chǎn)生晶格的缺陷,61,2、氫的作用,氫是引起高強(qiáng)鋼焊接時產(chǎn)生延遲裂紋的重要因素之一,氫具有延遲作用,由氫引起的延遲裂紋稱為氫致裂紋也稱氫誘發(fā)裂紋.氫致裂紋Hydrogoundacpd Crack,1）、氫在焊縫金屬中的溶解與擴(kuò)散,2）、金屬組織對氫的擴(kuò)散影響,3）、熱影響區(qū)氫致裂紋產(chǎn)生

26、氫在致裂過程中 動態(tài)行為,4）、氫致裂紋開裂機(jī)理,62,殘余擴(kuò)散氫HR100,H0------凝固時焊縫的初始含氫量（ml/100g)hw-----焊縫的平均厚度（mm）M-----氫的熱擴(kuò)散因子（mm2）,63,氫致裂紋目前有幾種說法,①氫的應(yīng)力擴(kuò)散理論 ②空穴氫壓脆化說 ③氫吸附脆化說,64,裂縫頂端,三向應(yīng)力區(qū),擴(kuò)散氫,裂紋擴(kuò)展,H2,新的三向應(yīng)力區(qū),氫致裂紋擴(kuò)展過程,65,66,3、焊接接頭的拘束應(yīng)力,1）、焊接接頭

27、的拘束應(yīng)力 a、熱應(yīng)力與母材焊條金屬的熱物理性質(zhì)及剛度有關(guān) b、組織應(yīng)力—相變、組織比容不同而產(chǎn)生 c、附加應(yīng)力—結(jié)構(gòu)自身拘束條件所造成的應(yīng)力包括結(jié)構(gòu)的形式、焊縫位置、施焊的順序,67,定義：相當(dāng)于為使焊接接頭根部間隙彈性位移單位長度時，單位長度焊縫所受的力的大小。即定義為拘束度。符號：R,2）、拘束度：表示母材對反作用力的剛度,,68,公式： E—母材金屬的彈性模量 —板厚

28、 l—焊縫長度 L—拘束距離,m為拘束應(yīng)力轉(zhuǎn)換系數(shù),69,3）、產(chǎn)生裂紋的臨界拘束應(yīng)力 臨界拘束應(yīng)力：開始產(chǎn)生裂紋時的拘束應(yīng)力,日本IL委員會插銷式裂紋試驗(yàn)所確定的=(86.3-211Pcm-28.21log[[H]+1]+2.73+800-500+9.7×)×9.8—稱為合金元素的裂紋敏感系數(shù)（%）[H] —擴(kuò)散氫含量100mol/gt800～500—在接條件下，熔合

29、區(qū)附近1350℃冷卻到800～500℃的冷卻時（S）t100—從熔合區(qū)附近1350℃～100℃實(shí)際冷卻時間,70,—合金元素的裂紋敏感指數(shù)（反映了淬硬傾向）,四、影響因素及防止措施,1)、鋼種化學(xué)成分的影響,1、影響因素,冷裂紋判據(jù) 應(yīng)用于、 —裂紋敏感指數(shù)上述公式是經(jīng)驗(yàn)式,有一定的使用范圍適用范圍可參考,71,對接接頭500℃ R=71K1[arctg(0.017 )－( /400)2

30、不產(chǎn)生裂紋, R> 產(chǎn)生裂紋—不產(chǎn)生裂紋的臨界拘束度（通過實(shí)驗(yàn)方法測）R可通過計算或?qū)崪y求得 只適用單向拉伸,2）、拘束應(yīng)力的影響,72,對于三維 彈塑性有限元計算,73,3)、氫的有害影響4)、工藝影響,74,綜合上述各影響因素，提出了預(yù)測高強(qiáng)鋼焊接接頭延遲裂紋傾向的判據(jù)公式。產(chǎn)生裂紋—在一定焊接條件下，第一層焊縫焊后冷卻到100℃剛剛不出現(xiàn)裂紋的時間—臨界冷卻時間.—實(shí)際焊接條件下，熔合區(qū)附近

31、1350～100℃的冷卻時間A.n—實(shí)驗(yàn)常數(shù) —裂紋敏感系數(shù)若越高，則 越大，越易產(chǎn)生裂紋,75,2、防止措施,1）、冶金措施 ①（低碳微量多合金） ②[H]↓選用低氫焊接材料，低氫焊接方法如CO2焊 ③控制氫的來源，烘干焊條消理焊件焊絲④加入某些合金元素，提高塑性⑤采用奧氏體組織的焊條焊接某些淬硬傾向較大的低合金高強(qiáng)鋼，避免冷裂紋,76,2）、工藝措施,①選擇合適的焊接線能量q↑、V冷↓、t100↑減少裂

32、但有晶粒粗大現(xiàn)象②預(yù)熱 冷卻速度↓[H]外逸③后熱[H]↓消氫處理350℃保溫1—2小時，使氫外逸,對于需要較高預(yù)熱溫度的中碳鋼，高碳鋼及中碳調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼，如果由于形狀復(fù)雜或需要在結(jié)構(gòu)內(nèi)部施焊等因素要避免高溫預(yù)熱時，采用后熱并配合低溫的預(yù)熱特別見效。,77,3）、拘束應(yīng)力,,①防止焊縫分布密集，消除應(yīng)力集中部位如缺口，坡口形狀對稱②適當(dāng)?shù)念A(yù)熱、后熱、緩冷,,本節(jié)結(jié)束,78,§5-4 再熱裂紋,定義：焊后再加熱,消除應(yīng)

33、力退火,高溫工作時500—600℃過程中產(chǎn)生裂紋稱再熱裂紋。,79,,,,,再熱裂紋,80,2、 敏感的溫度范圍:一般在500～700℃低于500或高于700℃,再加熱不易出現(xiàn)再熱裂紋3、有大量的內(nèi)應(yīng)力存在，及應(yīng)集中:在大拘束度的厚件或應(yīng)力集中部位易產(chǎn)生再熱裂紋4、易產(chǎn)生在具有沉淀強(qiáng)化作用的鋼材中: 晶界滑動→微裂→擴(kuò)展→裂紋,81,二、產(chǎn)生機(jī)理,1、一般條件 e > ec 產(chǎn)生裂紋 e—產(chǎn)生裂紋的晶界微觀局部的實(shí)

34、際塑性變形量 ec：產(chǎn)生裂紋的晶界微觀局部的最大塑性形變能力 e實(shí)際塑性應(yīng)變：接頭的殘余應(yīng)力經(jīng)再加熱產(chǎn)生應(yīng)力松馳而引起，與接頭的拘束度殘余應(yīng)力，應(yīng)力集中有關(guān)。,82,2、再熱裂紋產(chǎn)生機(jī)理,1）、晶界雜質(zhì)析集弱化說 ①晶界析集P、S、 ②硼化物沿晶析集如果產(chǎn)生再熱裂紋的塑性變形量為ec，可以下式表示:,83,2）、二次沉淀理論晶內(nèi)沉淀強(qiáng)化,①具有沉淀強(qiáng)化的元素 ②焊接高溫時過a熱區(qū)合金元素全部溶

35、入A中，A長大.③焊后冷卻速度快，合金元素以過飽和形式溶入在F中，滲碳體，一般出現(xiàn)在位錯、空位、缺陷等處。,,④焊后再加熱時（500--700℃）,84,3）、高溫蠕變理論,蠕變定義：金屬在長時間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度，也會緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。,特征： ①材料內(nèi)的應(yīng)力小于材料的屈服應(yīng)力 ②與溫度有關(guān)T蠕變速度 ③溫度升高持久強(qiáng)度下降 ④高溫下，晶界強(qiáng)度低于晶內(nèi)強(qiáng)度,85,1.楔形開裂,86,低

36、合金鋼產(chǎn)生再熱裂紋臨界應(yīng)力關(guān)系式,87,88,三 、影響因素,1. 化學(xué)成分對再熱裂紋的影響 2．晶粒度對再熱裂紋的影響 3．焊接接頭不同部位和不同組織對再熱裂紋的影響,(一) 、冶金因素,89,(二) 工藝措施,1、  預(yù)熱及后熱 預(yù)熱裂200～450℃，后熱可降低預(yù)熱溫度 2、線能量的作用 E適當(dāng)增加，減少過熱區(qū)硬度，裂紋減小3、低強(qiáng)焊縫應(yīng)用 減少近縫區(qū)塑變的集中程度，有利于降

37、低再熱裂紋產(chǎn)生傾向 4、 降低殘余應(yīng)力和避免應(yīng)力集中,本節(jié)結(jié)束,90,§5-5 層狀撕裂,1、產(chǎn)生的部位和形狀 宏觀形狀：在外觀上具有階梯狀的形式，由基本上平行于軋制方向表面的平臺與大體上垂直于平臺的剪切壁所組成。 微觀形狀：掃描電鏡觀察低倍下：斷口表面呈典型的木紋狀，是層層平臺在不同高度分布的結(jié)果 部位：母材或熱影響區(qū),一、特征及危害性,91,2、產(chǎn)生在厚板結(jié)構(gòu)中,十字接頭,丁字接頭,角接頭，

38、平臺局部地區(qū)有硅酸鹽或氧化物夾雜物,92,種類 依產(chǎn)生部位分: 第一類是在焊接熱影響區(qū)焊趾或焊根 冷裂紋誘發(fā)而形成層狀措裂； 第二類熱影響區(qū)沿夾雜開裂； 第三類遠(yuǎn)離熱影響區(qū)母材中沿夾雜開裂MnS片狀夾雜較多。,93,二、形成機(jī)理及影響因素,(一)、層狀撕裂的形成過程,1、厚板結(jié)構(gòu)中焊接時剛性拘束條件下，產(chǎn)生較大的Z向應(yīng)力和應(yīng)變，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到超過材料的形變能力之后，夾雜物與金屬基體之間弱結(jié)合面發(fā)生脫離，形成顯微裂紋，裂紋

39、尖端的缺口效應(yīng)造成應(yīng)力、應(yīng)變的集中，迫使裂紋沿自身所處的平面擴(kuò)展，把同一平面而相鄰的一群夾雜物連成一平，形成所謂的“平面”。,94,2、與此同時相鄰近的兩個平臺之間的裂紋尖端處，在應(yīng)力應(yīng)變影響下在剪切應(yīng)力作用下發(fā)生剪切斷裂，形成“剪切壁“，這些平臺和剪切壁在一起，構(gòu)成層狀撕裂所持有的階梯形狀。,95,(二)、影響因素,1、非金屬夾雜物的種類2、焊接Z向應(yīng)力 3、母材性能 ①熱影響區(qū)產(chǎn)生淬硬組織、塑性下降; ②加熱150～35

40、0℃出現(xiàn)應(yīng)變時效，塑性、韌性下降4、氫的作用 氫集聚發(fā)生在夾雜物和基體界面上的氫脆引起層狀撕裂,96,四、防止措施,(一)選擇母材 1 精煉鋼 2、控制夾雜物 冶煉降低雜質(zhì)，脫S加Ti、Zr或稀土元素，促使夾雜物破碎、球化(成本高) (二)設(shè)計和工藝措施,1、  改變接頭形式、降低焊接應(yīng)力2、  應(yīng)盡量避免單側(cè)焊縫等;3、  應(yīng)盡量避免承載焊縫4、

41、  預(yù)熱及后熱5、  加軟焊道,97,接頭形式在受力最小時即可防止層狀撕裂，通過開坡口來減輕鋼板Z向受承受的應(yīng)力和應(yīng)變。,本節(jié)結(jié)束,98,§5-6 應(yīng)力腐蝕撕裂(SCC),應(yīng)力腐蝕裂紋：金屬材料在某些特定介質(zhì)和拉應(yīng)力共同作用下所產(chǎn)生的延遲破裂現(xiàn)象稱應(yīng)力腐蝕裂紋。,應(yīng)力腐蝕裂紋已成為工業(yè)中特點(diǎn)是石油工業(yè)中最突出的問題，日本1965～1975十年間化工設(shè)備破壞事故統(tǒng)計有50%屬于應(yīng)力腐蝕開裂，應(yīng)力腐蝕裂紋

42、造成危害極大。,99,一、應(yīng)力腐蝕裂紋特征,1、形貌：外觀：無明顯的均勻腐蝕痕跡，呈龜裂形式斷斷續(xù)續(xù)。從橫斷面來看：猶如枯干的樹木的根須，由表面向縱深方向往里發(fā)展，裂口深寬比大，細(xì)長而帶有分支是其典型的特點(diǎn)。從斷口來看：仍保持金屬光澤為典型脆性斷口,100,,應(yīng)力腐蝕裂紋,101,2、材質(zhì)與介質(zhì)的匹配,純金屬不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，凡是合金即使含有微量元素的合金，在特定的腐蝕環(huán)境中都有一定的應(yīng)力腐蝕開裂傾向。但并不是說，任何合金在任何

43、介質(zhì)中都產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，一定的材料只在某一定的腐蝕環(huán)境中才產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。,應(yīng)力腐蝕開裂溫度:易產(chǎn)生在100～300℃之間,102,3、應(yīng)力腐蝕開裂的臨界應(yīng)力,拉應(yīng)力的存在是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的先決條件之一，造成應(yīng)力腐蝕開裂的應(yīng)力主要是殘余應(yīng)力。,臨界應(yīng)力 —引起應(yīng)力腐蝕裂紋開裂的臨界應(yīng)力，與腐蝕介質(zhì)，金屬材料的強(qiáng)度級別有關(guān)。,103,二、應(yīng)力腐蝕裂紋的形成條件 形成機(jī)理,（一）、電化學(xué)應(yīng)力裂機(jī)理從電化學(xué)考慮

44、，把應(yīng)力腐蝕裂紋分為兩大類 一類為應(yīng)力陽極溶解開裂 簡記APC另一類應(yīng)力陰極氫脆開裂 簡記HEC,形成三要素：1） 材質(zhì) 2) 腐蝕介質(zhì) 3) 臨界拉應(yīng)力,104,HEC和APC應(yīng)力腐蝕過程,105,（二）、機(jī)械破裂應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理,1）、孕育期 應(yīng)力作用下將產(chǎn)生不同程度的塑性變形，這種塑性變形將會產(chǎn)生“滑移臺階”，形成局部性的最初腐蝕裂口，造成拉應(yīng)力集中，局部產(chǎn)生滑移階梯、導(dǎo)致保護(hù)膜破壞。,106,10

45、7,108,2）、發(fā)展階段,腐蝕裂口在拉應(yīng)力與介質(zhì)的共同作用下（物理作用及化學(xué)作用）沿著垂直拉應(yīng)方向縱深發(fā)展，呈枯干樹枝或根須，且逐步出現(xiàn)分支，若應(yīng)力因素占優(yōu)勢，將是某一裂口優(yōu)先發(fā)展，腐蝕因素占優(yōu)勢則可能同時幾條裂口平行地發(fā)展,3）、潰裂階段發(fā)展的最快的裂紋的最終崩潰性的發(fā)展，是拉應(yīng)力局部越來越大的累積結(jié)果，最終破壞是力的因素起主要作用。,109,裂紋擴(kuò)展的幾種說法,陽極相的沉淀 腐蝕介質(zhì)的吸附陰極氫化反應(yīng) 機(jī)械化學(xué)效應(yīng)

46、隧洞腐蝕,110,三、應(yīng)力腐蝕的預(yù)防措施,（一）、結(jié)構(gòu)設(shè)計 1、合理選材母材 選材必須有足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不能只看材料牌號，不能單純考慮強(qiáng)度級別，因同一強(qiáng)度等級，合金系統(tǒng)不同，抗應(yīng)力腐蝕開裂的傾向很大。 2、避免高應(yīng)力區(qū),111,（二）、施工制造,1、  合理選擇焊材 了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的的工作條件，熟悉介質(zhì)的腐蝕特性，及合金元素的特性，則確定焊縫成分從而確定焊接材料。因此必須根據(jù)具體腐蝕介質(zhì)，調(diào)整焊縫的合金系統(tǒng)，

47、以便提高耐應(yīng)力腐蝕開裂的能力。,112,1、  合理制定裝焊工藝,1）、成形及裝配工藝,引起應(yīng)力腐蝕裂紋的重要原因之一就是殘余應(yīng)力，從部件成形加工列組裝都可引起殘余應(yīng)，特別是強(qiáng)制組裝，例如用千斤組裝大錯口，可以形成很大的殘余應(yīng)力，在組裝質(zhì)量不良的條件下（錯口）焊接時，會造成較大的殘余應(yīng)力。組裝時所造成傷痕如隨意打弧的灼痕等都會成應(yīng)力腐蝕裂源。,113,2)、焊接工藝,基本點(diǎn)，不產(chǎn)生硬化組織，不發(fā)生晶粒嚴(yán)重粗化現(xiàn)象,接頭硬度↑

48、 粗晶區(qū)的應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展敏感性最大，主要是由于晶粒粗大，以致裂紋尖端集中的位錯數(shù)量增大，并可形成大的滑移階梯，從而利于應(yīng)力腐蝕裂紋的形成和擴(kuò)展。,114,消除應(yīng)力處理,焊后消除應(yīng)力處理是防止產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的重要環(huán)節(jié)。 例氫化脫硫裝置的硫化物應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)，鋼種彎曲成形加工后的熱處理溫度,溫度 350℃ 400℃ 450℃ 500℃ 550℃ 650℃ 850℃,1Cr18Ni8 x

49、 x x x x o o o1Cr18Ni9Ti X x o o o o o o 其中x裂紋，o無裂紋,115,1.整體消除應(yīng)力處理,消除應(yīng)力的程度可用下式估算,P=T（lgt+20)*10-3,P—消除應(yīng)力效果參數(shù)T—熱力學(xué)溫度 t —保溫時間,116,（三）、生產(chǎn)管理,1、 

50、; 防蝕處理 介質(zhì)隔離、涂層、襯里 介質(zhì)處理、加緩蝕劑等 電化防蝕、陰極化或陽極化、表面技術(shù)處理 2、  定時檢查及分析 定期檢查、及時補(bǔ)修,本節(jié)結(jié)束,117,§5-7 焊接裂紋綜合分析和判斷,一、宏觀分析及判斷（一）被焊材質(zhì)和焊接材料的化 學(xué)成分（二）根據(jù)施工中的焊接工藝（三）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的運(yùn)行工況條件,118,二、微觀分析及判斷,11

51、9,三、斷口分析及判斷,斷裂形式,穿晶斷裂,沿晶斷裂,韌性斷裂,韌窩斷裂,滑移斷裂,脆性斷裂,疲勞斷裂—疲勞紋,解理斷裂,準(zhǔn)解理斷裂,塑性斷裂,脆性斷裂,疲勞斷裂—疲勞花紋,等軸韌窩,剪切韌窩,撕裂韌窩,蛇形滑移,波形滑移,平直滑移,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,120,(一)焊接裂紋的斷裂形式及斷口形態(tài),2、解理斷裂3、準(zhǔn)解理數(shù)裂4、沿晶斷裂,1、韌窩斷裂,121,,,,,,,122,,,,,,,

52、,,123,(二)熱裂紋斷口形貌,,,124,(三)冷裂紋斷口形貌,,,,,125,(四)再熱裂紋斷口形貌,,,126,(五)層狀撕裂斷口形貌,127,(六)應(yīng)力腐蝕裂紋斷口形貌,,,,128,本章小結(jié),本章重點(diǎn)介紹了各種焊接裂紋的分類、形成機(jī)理，特征、影響因素，及其防冶措施，對于焊接裂紋進(jìn)行綜合分析及判斷，以及對于各種裂紋的斷口形貌特征進(jìn)行簡單介紹。,129,思考題,1. 簡述焊接裂紋的種類及其特征和產(chǎn)生的原因。2. 分析液態(tài)薄

53、膜的成因及其對產(chǎn)生熱裂紋的影響。3. 什么是脆性溫度區(qū)間？在脆性溫度區(qū)間內(nèi)為什么金屬的塑性很低？4. 綜合分析脆性溫度區(qū)及在該區(qū)內(nèi)金屬的塑性和變形增長率之間的影響因素。5.液化裂紋和多邊化裂紋在本質(zhì)上的有何區(qū)別？在防止措施上的何不同？,130,6. 試述焊接冷裂紋的特征及其影響因素。7. 試述氫在產(chǎn)生冷裂紋過程中的作用，研究殘余擴(kuò)散氫HR100 和氫擴(kuò)散因子M有何重要意義？8. 何謂拘束度？臨界拘束度？它與拘束力和

54、臨界拘束應(yīng)力有何關(guān)系？9. 拘束度和拘束應(yīng)力與鋼材的板厚、焊接工藝參數(shù)有何關(guān)系？它們各自有哪 些影響因素？10. 一般低合金鋼，冷裂紋為什么具有延遲現(xiàn)象？為什么容易在焊接HAZ產(chǎn)生？,131,11. 后熱對防止冷裂紋有何作用？它能否全部代替預(yù)熱？12. 分析近縫區(qū)的馬氏體轉(zhuǎn)變對產(chǎn)生冷裂紋的影響。13. 為什么說臨界冷卻時間tcr為依據(jù)，是反映產(chǎn)生冷裂紋各種因素的綜合影響？14. 簡述再熱裂紋的主要特征和產(chǎn)生機(jī)理。15.