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(shí)間，重者造成焊接結(jié)構(gòu)報(bào)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(shí)，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　　?、诤缚p上橫向裂紋③熱影響區(qū)縱向裂紋　?、軣嵊绊憛^(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　　⑧焊趾裂紋⑨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(cuò)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(chǔ)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(shí)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(tái)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(shí)焊縫內(nèi)部兩個(gè)樹枝狀晶體之間。對(duì)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(gè)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(shí)溫度時(shí)有一個(gè)最小的塑性值（Pmin)（出現(xiàn)液態(tài)薄膜時(shí)）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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(duì)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(duì)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?cè)鲩L率CST,CST=(-19.2C-97.2S-0.8Cu-1.0Ni+ 3.9Mn+65.7Nb-618.5B+7.0)*10-4,當(dāng)時(shí)，可以防止裂紋,熱裂敏感系數(shù)HCS公式,當(dāng)HCS<4時(shí)，可以防止裂紋,41,③凝固時(shí)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(duì)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(shí)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(shí)， > 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(huì)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(cuò)在高溫和應(yīng)力的共同作用下，位錯(cuò)極易

21、運(yùn)動(dòng)，在不同平面上運(yùn)動(dòng)的刃型位錯(cuò)遇到障礙時(shí)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(cuò)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(shí)間： t－完成多邊化過程所需時(shí)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(shí)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(shí)

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(shí)間:可焊后立即出現(xiàn)，也有的幾小時(shí)，幾天或更長時(shí)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(shí)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(gè)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(shí)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(duì)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(dòng)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(shí)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(shí)，單位長度焊縫所受的力的大小。即定義為拘束度。符號(hào)：R,2）、拘束度：表示母材對(duì)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(shí)的拘束應(yīng)力,日本IL委員會(huì)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(shí)（S）t100—從熔合區(qū)附近1350℃～100℃實(shí)際冷卻時(shí)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(duì)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(jì)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(duì)于三維 彈塑性有限元計(jì)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(shí)間—臨界冷卻時(shí)間.—實(shí)際焊接條件下，熔合區(qū)附近

31、1350～100℃的冷卻時(shí)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(shí)，使氫外逸,對(duì)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(shí)，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(duì)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(shí)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(dòng)→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(shí)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(cuò)、空位、缺陷等處。,,④焊后再加熱時(shí)（500--700℃）,84,3）、高溫蠕變理論,蠕變定義：金屬在長時(shí)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(huì)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(duì)再熱裂紋的影響 2．晶粒度對(duì)再熱裂紋的影響 3．焊接接頭不同部位和不同組織對(duì)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(tái)與大體上垂直于平臺(tái)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(tái)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(tái)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?yuàn)A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(shí)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(shí)相鄰近的兩個(gè)平臺(tái)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(tái)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(shí)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(jì)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(shí)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(jì)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(jí)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(huì)產(chǎn)生“滑移臺(tái)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(shí)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(jì) 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(hào)，不能單純考慮強(qiáng)度級(jí)別，因同一強(qiáng)度等級(jí)，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(cuò)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(cuò)口）焊接時(shí)，會(huì)造成較大的殘余應(yīng)力。組裝時(shí)所造成傷痕如隨意打弧的灼痕等都會(huì)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(cuò)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(shí)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(shí)檢查及分析 定期檢查、及時(shí)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(duì)于焊接裂紋進(jìn)行綜合分析及判斷，以及對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)產(chǎn)生冷裂紋的影響。13. 為什么說臨界冷卻時(shí)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.