裂紋分類-熱裂紋

1、第五章 焊接熱裂紋 2 (一)熱裂紋 熱裂紋是在焊接時高溫下產(chǎn)生的，故稱熱裂紋(Hot Cracking)，它的特征是沿原奧氏體晶界開裂。根據(jù)所焊金屬的材料不同(低合金高強(qiáng)鋼、不銹鋼、鑄鐵、鋁合金和某些特種金屬等)，產(chǎn)生熱裂紋的形態(tài)、溫度區(qū)間和主要原因也各有不同。因此，就目前的認(rèn)識水平，又把熱裂紋分為結(jié)晶斑紋、液化裂紋和多邊化裂紋等三類。3 1結(jié)晶裂紋 焊縫結(jié)晶過程中，在固相線附近，由于凝固金屬的收縮，殘余液體金屬不足而不能及時填充，在應(yīng)力作用下發(fā)生沿晶開裂，故稱結(jié)晶裂紋。多數(shù)情況下，在發(fā)生裂紋的焊縫斷面上，可以看到有氧化的彩色，說明這種裂紋是在高溫下產(chǎn)生的。4 結(jié)晶裂紋主要產(chǎn)生在含雜質(zhì)較多的

2、碳鋼、低合金鋼焊縫中(含硫、磷、碳、硅偏高)和單相奧氏體鋼、鎳基合金以及某些鋁合金的焊縫中。個別情況下，結(jié)晶裂紋也能在熱影響區(qū)產(chǎn)生。5 2高溫液化裂紋 近縫區(qū)或多層焊的層間部位，在焊接熱循環(huán)峰值溫度的作用下，由于被焊金屬含有較多的低熔共晶而被重新熔化，在拉伸應(yīng)力的作用下沿奧氏體晶界發(fā)生開裂。 液化裂紋主要發(fā)生在含有鉻鎳的高強(qiáng)鋼、奧氏體鋼，以及某些鎳基合金的近縫區(qū)或多層焊層間部位。6 3.多邊化裂紋 焊接時焊縫或近縫區(qū)在固相線稍下的高溫區(qū)間，由于剛凝固的金屬中存在很多晶格缺陷(主要是位錯和空位)及嚴(yán)重的物理和化學(xué)不均勻性，在一定的溫度和應(yīng)力作用下，由于這些晶格缺陷的遷移和聚集，便形成了二次邊界，

3、即所謂“多邊化邊界”。 因邊界上堆積了大量的晶格缺陷，所以它的組織性能脆弱，高溫時的強(qiáng)度和塑性都很差，只要有輕微的拉伸應(yīng)力，就會沿多邊化的邊界開裂，產(chǎn)生所謂“多邊化裂紋”7第二節(jié) 焊接熱裂紋 熱裂紋是焊接生產(chǎn)中比較常見的一種缺陷，從一種常用的低碳鋼、低合金鋼，到奧氏體不銹鋼、鋁合金和鎳基合金等都有產(chǎn)生熱裂紋的可能。 關(guān)于熱裂紋的種類，在前面已作了簡要的介紹，主要是結(jié)晶裂紋、液化裂紋和多邊化裂紋三種。但這方面還在不斷發(fā)展，有人把高溫空穴開裂和蛻變開裂(包括再熱裂紋)也都劃歸熱裂紋的范疇。焊接生產(chǎn)過程中所遇到的熱裂紋，主要是結(jié)晶裂紋，故本節(jié)以結(jié)晶裂紋為主進(jìn)行討論。8 一、結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理 長期以

4、來，世界上許多國家對結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理作了大量的研究工作。在生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶裂紋都是沿焊縫中的樹枝狀晶的交界處發(fā)生和發(fā)展的，如圖5-13所示。最常見的是沿焊縫中心縱向開裂(見圖5-14)。有時也發(fā)生在焊縫內(nèi)部兩個樹枝狀晶體之間(見圖5-15)。910 在焊縫金屬凝固結(jié)晶的后期，低熔點(diǎn)共晶被排擠在柱狀晶體交遇的中心部位，形成一種所謂“液態(tài)薄膜” ，此時由于收縮而受到了拉伸應(yīng)力，這時焊縫中的液態(tài)薄膜就成了薄弱地帶。在拉伸應(yīng)力的作用下就有可能在這個薄弱地帶開裂而形成結(jié)晶裂紋。11 總括以上，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的原因，就在于焊縫中存在液態(tài)薄膜和在焊縫凝固過程中受到拉伸應(yīng)力共同作用的結(jié)果。因此，液態(tài)薄

5、膜液態(tài)薄膜是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的內(nèi)因，而拉伸應(yīng)力拉伸應(yīng)力是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的必要條件。 從前面的討論可知，這種裂紋是在焊縫結(jié)晶過程中產(chǎn)生的。但是，在整個結(jié)晶過程中究竟在什么階段產(chǎn)生裂紋的傾向最大，有必要作進(jìn)一步討論?，F(xiàn)以低碳鋼的焊接為例，可把熔池的結(jié)晶分為以下三個階段：1213(一)液固階段 熔池開始結(jié)晶時，僅有少量的晶核，以后逐漸晶核長大和出現(xiàn)新的晶核，但始終保持有較多的液相，相鄰晶粒之間不發(fā)生接觸，液態(tài)金屬可在晶粒之間自由流動。此時雖有拉伸應(yīng)力存在，但被拉開的縫隙能及時地被流動著的液態(tài)金屬所填滿，因此在液固階段不會產(chǎn)生裂紋。14(二)固液階段 當(dāng)結(jié)晶繼續(xù)進(jìn)行時，固相不斷增多，且不斷長大，冷卻到某一階

6、段時，已凝的固相彼此發(fā)生接觸，并不斷傾軋到一起，這時液態(tài)金屬的流動就發(fā)生了困難，即熔池結(jié)晶進(jìn)入了固液階段。在這種情況下，由于液態(tài)金屬少(主要是那些低熔點(diǎn)共晶)，在拉伸應(yīng)力作用下所產(chǎn)生的微小縫隙都無法填充，只要稍有拉伸應(yīng)力存在就有產(chǎn)生裂紋的可能，故把這個階段叫作“脆性溫度區(qū)”15(三)完全凝固階段 熔池金屬完全凝固之后所形成的焊縫，受到拉伸應(yīng)力時，就會表現(xiàn)出較好的強(qiáng)度和塑性，很難發(fā)生裂紋，但應(yīng)指出，對于某些金屬在焊縫完全凝固以后，仍有一段溫度內(nèi)塑性很低，也會產(chǎn)生裂紋，即所謂高溫低塑性裂紋(多邊化裂紋)。 綜上所述，當(dāng)溫度高于或低于ab之間的脆性溫度區(qū)時，焊縫金屬都有較大的抵抗結(jié)晶裂紋的能力，因此

7、具有較小的裂紋傾向。16 產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件如下： (1)如果拉伸應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變隨溫度按曲線1變化時(見圖5-18)，在固相線附近(即在脆性溫度區(qū)內(nèi)焊縫的塑性最小時)，只產(chǎn)生了e的應(yīng)變量，此時焊縫仍具有相當(dāng)于es的塑性儲備量，即Pmin- e =es 。因eso，故在這種情況下不會產(chǎn)生熱裂紋。1718 (2)當(dāng)按曲線2變化時，此時由拉伸應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變，恰好等于焊縫的最低塑性值Pmin ，故es o，即處于臨界狀態(tài)。 (3)當(dāng)按曲線3變化時，此時由拉伸應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變已超過焊縫金屬在脆性溫度區(qū)內(nèi)所具有的最低塑性Pmin ，即es o，此時必將產(chǎn)生裂紋。 綜上所述，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件是：焊縫在

8、脆性溫度區(qū)內(nèi)所承受的拉伸應(yīng)變大于焊縫金屬所具有塑性，或者說焊縫金屬在脆性溫度區(qū)內(nèi)的塑性儲備量(es )小于零時就會產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。19是否產(chǎn)生結(jié)晶裂紋主要決定于以下三個方面 a. 脆性溫度區(qū)TB的大小 TB越大，由于焊縫收縮產(chǎn)生拉伸應(yīng)力的作用時間也越長，產(chǎn)生的應(yīng)變量也越大，故產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向也就越大。 TB大小主要決定于焊縫的化學(xué)成分、低熔共晶的性質(zhì)及分布、晶粒大小及方向性等。 b. 在脆性溫度區(qū)內(nèi)金屬的塑性 在TB內(nèi)焊縫金屬的塑性越小，就越容易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。c. 在脆性溫度區(qū)內(nèi)的應(yīng)變增長率 在TB內(nèi)，隨溫度下降，由于收縮產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力增大，因而應(yīng)變的增長率也將增大，這就容易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。20

9、以上這三方面是相互聯(lián)系和相互影響，但又相對獨(dú)立。a和b主要取決于冶金因素(化學(xué)成分、結(jié)晶條件、偏析程度、晶粒的大小和方向等)；而應(yīng)變增長率c主要決定于力的因素（被焊金屬的熱物理性質(zhì)、焊件的剛度、焊接工藝和溫度場的分布等）21二、結(jié)晶裂紋的影響因素 從現(xiàn)象來看，影響結(jié)晶裂紋的因素很多，但從本質(zhì)來看，主要可歸納為兩方面，即冶金因素和力的因素。22 (一)冶金因素對產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響 所謂納晶裂紋的冶金因素主要是合金狀態(tài)圖的類型、化學(xué)成分和結(jié)晶組織形態(tài)等1合金狀態(tài)圖的類型和結(jié)晶溫度區(qū)間試驗(yàn)研究表明，結(jié)晶裂紋傾向的大小是隨合金狀態(tài)圖結(jié)晶溫度區(qū)間的增大而增加。23結(jié)晶溫度區(qū)間與裂紋傾向的關(guān)系結(jié)晶溫度區(qū)間

10、與裂紋傾向的關(guān)系242合金元素對產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響 合金元素的影響十分復(fù)雜，但又非常重要，是影響裂紋最本質(zhì)的因素應(yīng)當(dāng)指出，多種合金元素的相互影響，往往比單一元素復(fù)雜的多，在某些情況下，甚至彼此是矛盾的。這里僅就碳鋼和低合金鋼中合金元素對結(jié)晶裂紋的影響作一概括討論。25(1)硫和磷 硫、磷幾乎在各類鋼中都會增高結(jié)晶裂紋的傾向，即使是微量存在，也會使結(jié)晶區(qū)間大為增加。 硫和磷在鋼中還能引起偏析。元素的偏析程度可用下式表示：26(2) 碳 碳在鋼中是影響結(jié)晶裂紋的主要元素，并能加劇其他元素的有害作用(如硫、磷等)。國際上采用碳當(dāng)量作為評價鋼種焊接性的尺度，可見碳的重要影響。 27 (3) 錳 錳具有

11、脫硫作用，能置換FeS為MnS，同時也能改善硫化物的分布形態(tài)，使薄膜狀FeS改變?yōu)榍驙罘植?，從而提高了焊縫的抗裂性。 (4) 硅 硅是相形成元素，應(yīng)有利于消除結(jié)晶裂紋，但硅含量超過0.4時，容易形成硅酸鹽夾雜，從而增加了裂紋傾向。28 (5)鈦、鋯和稀土 最近發(fā)現(xiàn)，鈦、鋯和鑭、鈰等稀土元素能形成高熔點(diǎn)的硫化物，故對消除結(jié)晶裂紋有良好作用。 (6)鎳 鎳在低合金鋼中易于與硫形成低熔共晶因此會引起結(jié)晶裂紋。但加入錳、鈦等合金元素后，可以抑制硫的有害作用。29 (7)氧 氧對焊縫產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響，目前還沒有定論。但很多實(shí)驗(yàn)表明，焊縫中有一定的含氧量，能降低硫的有害作用。 總括以上，合金元素對結(jié)晶裂

12、紋的影響是重要的，但也是復(fù)雜的，這里不能一一論述。C、S、P對結(jié)晶裂紋影響最大。303. 凝固結(jié)晶組織形態(tài)對結(jié)晶裂紋的影響 焊縫在結(jié)晶后，晶粒大小、形態(tài)和方向，以及析出的初生相等對抗裂性都有很大的影響。晶粒越粗大，柱狀晶的方向越明顯，則產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向就越大。為此，常在焊縫及母材中加入一些細(xì)化晶粒的合金元素，一方面可以破壞液態(tài)薄膜的連續(xù)性另一方面也可以打亂柱狀晶的方向。31 以上僅從三個方面概要地討論了冶金因素對產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響，它們之間往往是相互影響、錯綜復(fù)雜的，有時還是矛盾的?？傊瑢τ诮Y(jié)晶裂紋的機(jī)理，影響因素等均須作進(jìn)一步研究。32(二)力學(xué)因素對產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響 產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影

13、響因素是很復(fù)雜的，但概括起來主要是冶金因素和力學(xué)因素，二者之間既有內(nèi)在的聯(lián)系，又有各自獨(dú)立規(guī)律。對于各種情況下，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件必須是冶金因素和力學(xué)因素共同作用，二者缺一不可。33三、防治結(jié)晶裂紋的措施 由于焊接時產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響因素很多，因此應(yīng)抓住不同情況下產(chǎn)生裂紋的主要矛盾。根據(jù)大量的生產(chǎn)實(shí)踐和研究證明，防治焊接結(jié)晶裂紋可從以下兩方面著手。34(一)冶金因素方面1. 控制焊縫中硫、磷、碳等有害雜質(zhì)的含量2. 改善焊縫凝固結(jié)晶、細(xì)化晶粒是提高抗裂性的重要途徑35 (二)工藝因素方面 工藝方面主要是焊接工藝參數(shù)、預(yù)熱、接頭型式和焊接順序等，用工藝方法防止結(jié)晶裂紋主要是改善焊接時的應(yīng)力狀態(tài)。

14、 1焊接工藝及工藝參數(shù)適當(dāng)增加焊接線能量和提高預(yù)熱溫度，可減小焊縫金屬的應(yīng)變率，從而降低結(jié)晶裂紋的傾向。 2接頭形式 3焊接次序3637四、近縫區(qū)液化裂紋(一)液化裂紋的形成機(jī)理 液化裂紋的形成機(jī)理，一般認(rèn)為是由于焊接時近縫區(qū)金屬或焊縫層間金屬，在高溫下使這些區(qū)域的奧氏體晶界上的低熔共晶被重新熔化，在拉應(yīng)力的作用下沿奧氏體晶間開裂而形成液化裂紋。造成了局部地區(qū)共晶成分偏高而發(fā)生局部晶間液化，同樣也會產(chǎn)生液化裂紋。由此可知，液化裂紋也是由冶金因素和力學(xué)因素共同作用的結(jié)果。38 (二)液化裂紋的影響因素 液化裂紋的形成機(jī)理與結(jié)晶裂紋基本一致，因此影響因素也大致相同，也是冶金因素和力學(xué)因素共同作用的

15、結(jié)果。 1化學(xué)成分的影響 2工藝因素的影響 39(三)液化裂紋的防冶 防止液化裂紋的途徑與結(jié)晶裂紋的防止途徑基本上是一致的，也是從冶金和工藝兩方面入手。特別是對冶金方面，盡可能降低母材金屬中硫、磷、硅、硼等低熔共晶組成元素的含量是十分有效的。近年來，由于冶煉技術(shù)的發(fā)展，采用爐外精煉、電渣重熔等冶煉出的高質(zhì)量金屬材料，基本上可消除液化裂紋。40 五、多邊化裂紋 多邊化裂紋是在形成多邊化的過程中，由于高溫時的塑性很低而造成的，它是屬于熱裂紋的另一種形態(tài)，又稱高溫低塑性裂紋。41(一)多邊化裂紋的形成機(jī)理 這種裂紋多數(shù)是在焊縫中產(chǎn)生，它是在結(jié)晶前沿已凝的固相晶粒中萌生出大量的晶格缺陷(空位和位錯等)

16、，并且在快速的冷卻條件下，由于不易擴(kuò)散，它們以過飽和的狀態(tài)保留于焊縫金屬中，在一定溫度相應(yīng)力的條件下，晶格缺陷由高能部位向低能部位轉(zhuǎn)化，即發(fā)生移動和聚集，從而形成了二次邊界，即所謂“多邊化邊界”。42 (二)多邊化裂紋的主要特點(diǎn) (1)這種裂紋多發(fā)生在純金屬或單相奧氏體焊縫中，個別情況下也出現(xiàn)在熱影響區(qū)中。 (2)裂紋附近常伴隨有再結(jié)晶晶粒出現(xiàn)，所以多邊化裂紋總是遲于再結(jié)晶。43 (3)裂紋多發(fā)生在重復(fù)受熱的多層焊層間金屬中及熱影響區(qū)，其部位并不都靠近熔合區(qū)，說明這種裂紋與晶界液化無關(guān)。 (4)斷口呈現(xiàn)出高溫低塑性開裂。44（三）多邊化裂紋的影響因素 影響多邊化裂紋的因素主要是合金成分、應(yīng)力狀

17、態(tài)和溫度。它們的影響，可由形成多邊化過程所需的時間來說明 t越小，裂紋傾向越大。45 1合金成分的影響 2應(yīng)力狀態(tài)的影響 3溫度的影響46第四節(jié) 再熱裂紋 殘余應(yīng)力是造成低應(yīng)力脆性破壞、焊接冷裂紋、結(jié)構(gòu)幾何形狀失穩(wěn)，以及應(yīng)力腐蝕裂紋等的重要原因之一。因此，對于一些重要的厚板焊接結(jié)構(gòu)，如核電站的壓力殼、厚壁容器和潛艇結(jié)構(gòu)等，焊后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理幾乎是不可缺少的一道工序，因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)焊后不可避免的存在不同程度的殘余應(yīng)力。47一、再熱裂紋的主要特征 1.再熱裂紋都是發(fā)生在焊接熱影響區(qū)的粗晶部位并呈晶間開裂 如圖5-74所示 2進(jìn)行消除應(yīng)力處理之前焊接區(qū)存在較大的殘余應(yīng)力并有不同程度的應(yīng)力集中 如圖

18、5-75所示 3. 產(chǎn)生再熱曲存在一個最敏感的溫度區(qū)間 5-76所示 4含有一定沉淀強(qiáng)化元素的金屬材料才具有產(chǎn)生再熱裂紋的敏感性484950二、再熱裂紋的機(jī)理 再熱裂紋的具體機(jī)制存在不同的看法：有人強(qiáng)調(diào)了晶界弱化是主要的，而另一些人則強(qiáng)調(diào)晶內(nèi)強(qiáng)化是主要的。正因如此，目前對再熱裂紋的解釋存在不同的看法，各自強(qiáng)調(diào)了自己試驗(yàn)范圍內(nèi)所得的結(jié)論，如晶界雜質(zhì)析集弱化理論、晶內(nèi)二次強(qiáng)化理論，以及蠕變開裂理論等。還有人認(rèn)為，再熱裂紋與回火脆性具有相同的機(jī)理。51(一)晶界雜質(zhì)析集弱化作用 對一些低合金高強(qiáng)鋼再熱裂紋的試驗(yàn)研究中，已確認(rèn)雜質(zhì)在晶界析集而造成脆化，對產(chǎn)生再熱裂紋具有重要的作用。52(二)晶內(nèi)沉淀強(qiáng)化作用 前面已指出，并不是所有的鋼和合金都具有再熱裂紋的敏感性，只有那些含有沉淀強(qiáng)化元素的鋼和合金才具有再熱裂紋的問題。53 另外，有些低合金鋼合金碳化物沉淀相，不僅在晶內(nèi)，也可彌散于晶界。例如，14MnMov鋼，強(qiáng)化晶內(nèi)的同時也強(qiáng)化晶界。因此，晶內(nèi)沉淀強(qiáng)化的理論還有不足，這是值得進(jìn)一步研究的。54(三)蠕變斷裂理論 近年來許多人認(rèn)為，再熱過程中隨