第五章 焊接裂紋

1、第五章第五章 焊接裂紋焊接裂紋焊接裂紋的分類、特征焊接裂紋的分類、特征各類裂紋的產(chǎn)生機(jī)理、影響因素各類裂紋的產(chǎn)生機(jī)理、影響因素各類裂紋防止的措施各類裂紋防止的措施重點(diǎn)：重點(diǎn)：結(jié)晶裂紋結(jié)晶裂紋H致延遲裂紋致延遲裂紋第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 隨著技術(shù)的發(fā)展，焊接結(jié)構(gòu)趨向大型化、大容量和高參數(shù)的方向隨著技術(shù)的發(fā)展，焊接結(jié)構(gòu)趨向大型化、大容量和高參數(shù)的方向發(fā)展；在低溫、深冷、腐蝕介質(zhì)等環(huán)境下工作。發(fā)展；在低溫、深冷、腐蝕介質(zhì)等環(huán)境下工作。 高強(qiáng)鋼種和合金材料應(yīng)用，給焊接生產(chǎn)上帶來(lái)了許多新問(wèn)題。其高強(qiáng)鋼種和合金材料應(yīng)用，給焊接生產(chǎn)上帶來(lái)了許多新問(wèn)題。其中普遍而又十分嚴(yán)重的就是焊接裂紋。中普遍而又十分嚴(yán)重的

2、就是焊接裂紋。一、焊接裂紋的危害性一、焊接裂紋的危害性 1 脆性斷裂脆性斷裂 減小有效承載面積，形成應(yīng)力集中。減小有效承載面積，形成應(yīng)力集中。 2 隱蔽性隱蔽性 潛在危險(xiǎn)潛在危險(xiǎn) 3 產(chǎn)生機(jī)理的復(fù)雜性產(chǎn)生機(jī)理的復(fù)雜性 難以預(yù)防難以預(yù)防 4 主要斷裂事故主要斷裂事故 給生產(chǎn)帶來(lái)許多困難，給生產(chǎn)帶來(lái)許多困難，可能引起災(zāi)難性事故可能引起災(zāi)難性事故。 橋梁斷裂橋梁斷裂 30年代比利時(shí)斷裂的橋梁年代比利時(shí)斷裂的橋梁 美國(guó)斷裂自由輪美國(guó)斷裂自由輪 40年代。年代。 壓力容器壓力容器, 液化天然氣貯罐發(fā)生連鎖式爆炸液化天然氣貯罐發(fā)生連鎖式爆炸; 煤氣球罐發(fā)生爆炸。煤氣球罐發(fā)生爆炸。二、焊接裂紋分類及其一般特

3、征二、焊接裂紋分類及其一般特征 裂紋的形態(tài)和分布裂紋的形態(tài)和分布: 有焊縫的有焊縫的表面裂紋、內(nèi)部表面裂紋、內(nèi)部裂紋；有裂紋；有 HAZ的橫向、的橫向、縱向裂紋；有焊縫和焊道縱向裂紋；有焊縫和焊道下的深埋裂紋，弧坑下的深埋裂紋，弧坑(火火口口)裂紋。裂紋。 裂紋有時(shí)出現(xiàn)在焊接過(guò)程裂紋有時(shí)出現(xiàn)在焊接過(guò)程中，也中，也有時(shí)出現(xiàn)在放置或有時(shí)出現(xiàn)在放置或運(yùn)行過(guò)程中運(yùn)行過(guò)程中，即所謂延遲即所謂延遲裂紋。裂紋。 焊接生產(chǎn)中所遇到裂紋焊接生產(chǎn)中所遇到裂紋,按產(chǎn)生裂紋本質(zhì)來(lái)分，大按產(chǎn)生裂紋本質(zhì)來(lái)分，大體上可分為五大類：體上可分為五大類： 圖圖5-4 焊接裂紋的宏觀形態(tài)及其分布焊接裂紋的宏觀形態(tài)及其分布 a）縱向

4、裂紋縱向裂紋 b)橫向裂紋橫向裂紋 c）星型裂紋）星型裂紋1-焊縫縱向裂紋焊縫縱向裂紋 2-焊縫橫向裂紋焊縫橫向裂紋 3-熔合熔合區(qū)裂紋區(qū)裂紋 4-焊縫根部裂紋焊縫根部裂紋 5-HAZ根部裂紋根部裂紋 6-焊趾縱向裂紋（延遲裂紋焊趾縱向裂紋（延遲裂紋) 7-焊趾縱向焊趾縱向裂紋（液化裂紋、熱裂紋裂紋（液化裂紋、熱裂紋) 8-焊道下裂紋焊道下裂紋(延遲裂紋、液化裂紋、多邊化裂紋延遲裂紋、液化裂紋、多邊化裂紋) 9-層狀撕裂層狀撕裂 l0弧坑裂紋弧坑裂紋(一一)熱裂紋熱裂紋 熱裂紋是在焊接時(shí)高溫下產(chǎn)生的，故稱熱裂紋是在焊接時(shí)高溫下產(chǎn)生的，故稱熱裂紋。沿原奧氏體晶界開裂。熱裂紋。沿原奧氏體晶界開裂。

5、1 結(jié)晶裂紋結(jié)晶裂紋 發(fā)生裂紋的焊縫斷面上，可發(fā)生裂紋的焊縫斷面上，可以看到有氧化的彩色。以看到有氧化的彩色。2 高溫液化裂紋高溫液化裂紋 近縫區(qū)或多層焊的層間近縫區(qū)或多層焊的層間部位。熱循環(huán)作用下，被焊金屬部位。熱循環(huán)作用下，被焊金屬含有較含有較多的低熔共晶而被重新熔化多的低熔共晶而被重新熔化，在拉伸應(yīng)，在拉伸應(yīng)力的作用下沿奧氏體晶界發(fā)生開裂。力的作用下沿奧氏體晶界發(fā)生開裂。3 多邊化裂紋多邊化裂紋 剛凝固的金屬中存在很多剛凝固的金屬中存在很多晶格缺陷，晶格缺陷，晶格缺陷的遷移和聚集，便晶格缺陷的遷移和聚集，便形成了二次邊界形成了二次邊界，即，即“多邊化邊界多邊化邊界”。邊界上堆積了大量的晶

6、格缺陷，組織性邊界上堆積了大量的晶格缺陷，組織性能脆弱，高溫時(shí)的強(qiáng)度和塑性都很差，能脆弱，高溫時(shí)的強(qiáng)度和塑性都很差，只要有拉伸應(yīng)力，就會(huì)沿多邊化的邊界只要有拉伸應(yīng)力，就會(huì)沿多邊化的邊界開裂開裂，產(chǎn)生，產(chǎn)生“多邊化裂紋多邊化裂紋”。結(jié)晶裂紋結(jié)晶裂紋液化裂紋液化裂紋多邊化裂紋多邊化裂紋 厚板焊接結(jié)構(gòu)，采用含有沉淀厚板焊接結(jié)構(gòu)，采用含有沉淀強(qiáng)化合金元素的鋼材，強(qiáng)化合金元素的鋼材，在進(jìn)行在進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理或在一定溫度消除應(yīng)力熱處理或在一定溫度下服役的過(guò)程中，在焊接熱影下服役的過(guò)程中，在焊接熱影響區(qū)粗晶部位發(fā)生的裂紋稱為響區(qū)粗晶部位發(fā)生的裂紋稱為再熱裂紋，再熱裂紋，又稱又稱“消除應(yīng)力處消除應(yīng)力處理裂紋

7、理裂紋”，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱SR裂紋。裂紋。再熱裂紋多發(fā)生在低合金高強(qiáng)鋼、珠光體耐熱鋼、奧氏體不銹鋼再熱裂紋多發(fā)生在低合金高強(qiáng)鋼、珠光體耐熱鋼、奧氏體不銹鋼和某些鎳基合金的和某些鎳基合金的焊接熱影響區(qū)粗晶部位焊接熱影響區(qū)粗晶部位。敏感溫度約敏感溫度約在在550650。沿晶開裂的特征沿晶開裂的特征，但在本質(zhì)上與結(jié)晶裂紋不同。，但在本質(zhì)上與結(jié)晶裂紋不同。(二二)再熱裂紋再熱裂紋(三三)冷裂紋冷裂紋1 延遲裂紋延遲裂紋 焊后不立即出現(xiàn)，有一定孕焊后不立即出現(xiàn)，有一定孕育期，具有延遲現(xiàn)象。育期，具有延遲現(xiàn)象。冷裂紋冷裂紋(Cold Cracking)是焊后冷至較低溫度下產(chǎn)生的。是焊后冷至較低溫度下產(chǎn)生的。2

8、淬硬脆化裂紋淬硬脆化裂紋 淬硬傾向很大的鋼種，淬硬傾向很大的鋼種，在在拘束應(yīng)力拘束應(yīng)力的作用下導(dǎo)致開裂。沒(méi)有延的作用下導(dǎo)致開裂。沒(méi)有延遲現(xiàn)象，焊后可以立即發(fā)現(xiàn)。遲現(xiàn)象，焊后可以立即發(fā)現(xiàn)。3 低塑性脆化裂紋低塑性脆化裂紋 塑性較低材料，塑性較低材料，冷至低溫，由收縮力而引起的冷至低溫，由收縮力而引起的應(yīng)變應(yīng)變超過(guò)材質(zhì)本身所具有的塑性儲(chǔ)備或超過(guò)材質(zhì)本身所具有的塑性儲(chǔ)備或材質(zhì)變脆材質(zhì)變脆而產(chǎn)生的裂紋而產(chǎn)生的裂紋。 淬硬脆化裂紋淬硬脆化裂紋延遲裂紋延遲裂紋(四四)層狀撕裂層狀撕裂 建造大型石油平臺(tái)和建造大型石油平臺(tái)和厚壁壓力厚壁壓力容器過(guò)程中，出現(xiàn)平行于軋制容器過(guò)程中，出現(xiàn)平行于軋制方向階梯形裂紋，即

9、所謂層狀方向階梯形裂紋，即所謂層狀撕裂。撕裂。 產(chǎn)生層狀撕裂的主要原因產(chǎn)生層狀撕裂的主要原因是軋是軋制鋼材的內(nèi)部制鋼材的內(nèi)部存在不同程度的存在不同程度的分層夾雜物，焊接時(shí)產(chǎn)生的垂分層夾雜物，焊接時(shí)產(chǎn)生的垂直于軋制方向的應(yīng)力，致使熱直于軋制方向的應(yīng)力，致使熱影響區(qū)附近或稍近的地方，產(chǎn)影響區(qū)附近或稍近的地方，產(chǎn)生呈生呈“臺(tái)階臺(tái)階”形的層狀開裂，形的層狀開裂，并可穿晶擴(kuò)展。并可穿晶擴(kuò)展。 層狀撕裂易發(fā)生在厚壁結(jié)構(gòu)的層狀撕裂易發(fā)生在厚壁結(jié)構(gòu)的T型接頭、十字接頭和角接頭。型接頭、十字接頭和角接頭。(五五)應(yīng)力腐蝕裂紋應(yīng)力腐蝕裂紋 在腐蝕介質(zhì)和拉伸應(yīng)力的共在腐蝕介質(zhì)和拉伸應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生一種延遲破壞同

10、作用下產(chǎn)生一種延遲破壞的現(xiàn)象，簡(jiǎn)稱的現(xiàn)象，簡(jiǎn)稱SCC裂紋。裂紋。 SCC裂紋的形態(tài)如同枯干裂紋的形態(tài)如同枯干的樹枝，從表面向深處發(fā)展。的樹枝，從表面向深處發(fā)展。 SCC裂紋斷口為典型脆性裂紋斷口為典型脆性斷口。斷口。表表5-1 各種裂紋分類表各種裂紋分類表第二節(jié)第二節(jié) 焊接熱裂紋焊接熱裂紋 熱裂紋是焊接生產(chǎn)中比較常見的一種缺陷，一般常用的低碳熱裂紋是焊接生產(chǎn)中比較常見的一種缺陷，一般常用的低碳鋼、低合金鋼到奧氏體不銹鋼、鋁合金和鎳基合金等都有產(chǎn)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。生熱裂紋的可能。 焊接生產(chǎn)過(guò)程中所遇到的熱裂紋，焊接生產(chǎn)過(guò)程中所遇到的熱裂紋，主要是

11、結(jié)晶裂紋主要是結(jié)晶裂紋。一、結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理一、結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理結(jié)晶裂紋產(chǎn)生位置：結(jié)晶裂紋產(chǎn)生位置： 沿焊縫中心縱向開裂沿焊縫中心縱向開裂 兩個(gè)樹枝狀晶體之間兩個(gè)樹枝狀晶體之間 弧坑裂紋弧坑裂紋 焊縫結(jié)晶裂紋焊縫結(jié)晶裂紋焊縫中心焊縫中心縱向裂紋縱向裂紋 焊縫沿樹枝晶界焊縫沿樹枝晶界結(jié)晶裂紋結(jié)晶裂紋 弧坑裂紋1 結(jié)晶裂紋產(chǎn)生原因結(jié)晶裂紋產(chǎn)生原因 （1）溶池凝固過(guò)程中，先結(jié)晶的金屬較純，后結(jié)晶的金屬含溶質(zhì)）溶池凝固過(guò)程中，先結(jié)晶的金屬較純，后結(jié)晶的金屬含溶質(zhì)和雜質(zhì)較多，溶質(zhì)和雜質(zhì)富集在生長(zhǎng)的樹枝晶前沿和雜質(zhì)較多，溶質(zhì)和雜質(zhì)富集在生長(zhǎng)的樹枝晶前沿（K0=CS/CLo, 故不會(huì)產(chǎn)生熱裂紋。故不會(huì)產(chǎn)

12、生熱裂紋。(2)按曲線按曲線2變化時(shí)，變化時(shí)，拉伸應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變，恰好等于焊縫的最低拉伸應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變，恰好等于焊縫的最低塑性值塑性值pmin，故，故es=0，即處于臨界狀態(tài)，即處于臨界狀態(tài)。(3)按曲線按曲線3變化時(shí)，拉伸應(yīng)力所產(chǎn)生應(yīng)變已超過(guò)焊縫金屬在脆性溫變化時(shí)，拉伸應(yīng)力所產(chǎn)生應(yīng)變已超過(guò)焊縫金屬在脆性溫度區(qū)內(nèi)所具有的最低塑性度區(qū)內(nèi)所具有的最低塑性(pmin)，es0，此時(shí)必將產(chǎn)生裂紋。，此時(shí)必將產(chǎn)生裂紋。產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件是：產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件是：焊縫在脆性溫度區(qū)內(nèi)所承受的焊縫在脆性溫度區(qū)內(nèi)所承受的拉伸應(yīng)變大于焊縫金屬所具有拉伸應(yīng)變大于焊縫金屬所具有塑性，或者說(shuō)塑性，或者說(shuō)焊縫金屬在脆

13、性焊縫金屬在脆性溫度區(qū)內(nèi)的塑性儲(chǔ)備量溫度區(qū)內(nèi)的塑性儲(chǔ)備量(es)小小于零時(shí)就會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。于零時(shí)就會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。 應(yīng)變隨溫度變化應(yīng)變隨溫度變化結(jié)晶裂紋主要決定于以下三個(gè)方面：結(jié)晶裂紋主要決定于以下三個(gè)方面：A TB的大小的大小 TB越大，焊縫收縮產(chǎn)生拉伸應(yīng)力的作用時(shí)間也越長(zhǎng)，越大，焊縫收縮產(chǎn)生拉伸應(yīng)力的作用時(shí)間也越長(zhǎng)，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。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。B TB內(nèi)金屬的塑性內(nèi)金屬的塑性 在在TB內(nèi)焊縫金屬的塑性內(nèi)焊縫金屬的塑性P越小，就越容易產(chǎn)生越小，就越容易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。結(jié)晶裂紋。C TB內(nèi)的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率內(nèi)的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率 在在T

14、B內(nèi)，隨溫度下降，由于收縮產(chǎn)生的拉伸內(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(zhǎng)率也將增大，容易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。應(yīng)力增大，因而應(yīng)變的增長(zhǎng)率也將增大，容易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。TB大小大小TB塑性塑性化學(xué)成分化學(xué)成分結(jié)晶條件結(jié)晶條件偏析程度偏析程度晶粒的大小和方向晶粒的大小和方向冶金冶金因素因素?zé)嵛锢硇再|(zhì)熱物理性質(zhì)焊件的剛度焊件的剛度焊接工藝焊接工藝溫度場(chǎng)溫度場(chǎng)應(yīng)變應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率增長(zhǎng)率力的力的因素因素二、結(jié)晶裂紋的影響因素二、結(jié)晶裂紋的影響因素 冶金因素和力的因素冶金因素和力的因素(一一)冶金因素對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋影響冶金因素對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋影響1 合金狀態(tài)圖和結(jié)晶溫度區(qū)間合金狀態(tài)圖和結(jié)晶溫度區(qū)間 隨

15、合金元素的增加，結(jié)晶溫度隨合金元素的增加，結(jié)晶溫度區(qū)間增大區(qū)間增大，TB增大，結(jié)晶裂紋增大，結(jié)晶裂紋的傾向增加。的傾向增加。 S點(diǎn)，結(jié)晶溫度區(qū)間最大，點(diǎn)，結(jié)晶溫度區(qū)間最大， TB最最大，裂紋的傾向也是最大。大，裂紋的傾向也是最大。 當(dāng)合金元素進(jìn)一步增加時(shí)，結(jié)晶當(dāng)合金元素進(jìn)一步增加時(shí)，結(jié)晶區(qū)間和區(qū)間和TB反而減小，裂紋傾向反而減小，裂紋傾向降低。降低。 焊接條件下為非平衡結(jié)晶，最焊接條件下為非平衡結(jié)晶，最大固溶由大固溶由S點(diǎn)移至點(diǎn)移至S，裂紋傾向，裂紋傾向的變化曲線也隨之左移。的變化曲線也隨之左移。結(jié)晶溫度區(qū)間與結(jié)晶溫度區(qū)間與裂紋傾向的關(guān)系裂紋傾向的關(guān)系 合金狀態(tài)圖與結(jié)晶裂紋傾向的關(guān)系合金狀態(tài)圖

16、與結(jié)晶裂紋傾向的關(guān)系完全互溶完全互溶有限固溶有限固溶機(jī)械混合物機(jī)械混合物完全不固溶完全不固溶結(jié)晶溫度區(qū)間越大，裂紋傾向越大。結(jié)晶溫度區(qū)間越大，裂紋傾向越大。2 合金元素對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響合金元素對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響 (1)硫和磷硫和磷 使結(jié)晶溫度區(qū)間增加，使結(jié)晶溫度區(qū)間增加，易形成液態(tài)薄膜，易形成液態(tài)薄膜，增加結(jié)晶裂紋傾向。增加結(jié)晶裂紋傾向。 S、P是是極易偏析的元素，對(duì)各種裂紋都敏感。極易偏析的元素，對(duì)各種裂紋都敏感。 焊接材料嚴(yán)格控制硫、磷，焊接材料嚴(yán)格控制硫、磷，S0.02，P0.4時(shí)，易形成時(shí)，易形成硅酸鹽夾雜，增加了裂紋傾向。硅酸鹽夾雜，增加了裂紋傾向。(5)Ti、Zr和和Re 能

17、形成高熔點(diǎn)的硫化物，比錳的效果好，對(duì)消除能形成高熔點(diǎn)的硫化物，比錳的效果好，對(duì)消除結(jié)晶裂紋有良好作用。結(jié)晶裂紋有良好作用。見下表。見下表。TiSZrSLa2S3CeSMnS200021002100200024501610(6)鎳鎳 易與硫形成低熔共晶易與硫形成低熔共晶(Ni與與Ni3S2熔點(diǎn)僅熔點(diǎn)僅645)，會(huì)引起結(jié)晶，會(huì)引起結(jié)晶 裂紋。加入裂紋。加入Mn、Ti等合金元素，可抑制硫的有害作用。等合金元素，可抑制硫的有害作用。(7)氧氧 氧對(duì)焊縫產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響，目前還沒(méi)有定論。氧對(duì)焊縫產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響，目前還沒(méi)有定論。 焊縫中有一定的含氧量，能降低硫的有害作用，形成焊縫中有一定的含氧量，能

18、降低硫的有害作用，形成Fe-Fes-FeO三元共晶，使三元共晶，使FeS由薄膜狀變?yōu)榍驙?。由薄膜狀變?yōu)榍驙?。合金元素?duì)鐵結(jié)晶溫度區(qū)間的影響合金元素對(duì)鐵結(jié)晶溫度區(qū)間的影響a)單相單相 b) +3 凝固組織形態(tài)對(duì)結(jié)晶裂紋影響凝固組織形態(tài)對(duì)結(jié)晶裂紋影響 晶粒越粗大，柱狀晶的方向越明晶粒越粗大，柱狀晶的方向越明顯，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋傾向就越大。顯，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋傾向就越大。 (1)加入細(xì)化晶粒合金元素加入細(xì)化晶粒合金元素 破壞液態(tài)薄膜的連續(xù)性破壞液態(tài)薄膜的連續(xù)性 打亂柱狀晶的方向打亂柱狀晶的方向(2)少量少量相存在：相存在： 可以細(xì)化晶粒；可以細(xì)化晶粒； 打亂奧氏體粗大柱狀晶方向性，打亂奧氏體粗大柱狀晶方向性

19、， 相比相比相溶解更多相溶解更多S、P。 焊接焊接18-8型不銹鋼時(shí)，希望得到型不銹鋼時(shí)，希望得到+雙相焊縫組織。雙相焊縫組織。Micrograph of overlapping laser spot welds on PWA-1480 single-crystal nickel-based superalloy加入納米加入納米Al2O30.5% 1.0%0.5% 1.0%3.0% 5.0%3.0% 5.0%加入納米加入納米Y2O3顆粒熔覆層組顆粒熔覆層組織織4 晶間易熔相對(duì)凝固裂紋敏感性影響晶間易熔相對(duì)凝固裂紋敏感性影響 晶間液膜是引起凝固裂紋的根本原晶間液膜是引起凝固裂紋的根本原因，與晶間

20、易熔物質(zhì)數(shù)量有關(guān)。因，與晶間易熔物質(zhì)數(shù)量有關(guān)。 熱裂傾向并不隨著晶間易熔物的增熱裂傾向并不隨著晶間易熔物的增多而增大，有一個(gè)最大值。超過(guò)最多而增大，有一個(gè)最大值。超過(guò)最大值后，熱裂傾向又逐漸下降，直大值后，熱裂傾向又逐漸下降，直到最后不產(chǎn)生裂紋。到最后不產(chǎn)生裂紋。晶間碳化物共晶的量，晶間碳化物共晶的量，C原因：原因：(1)晶間易熔相多，晶間易熔相多，TB縮小，改變結(jié)晶形態(tài)，阻礙樹枝晶的發(fā)展縮小，改變結(jié)晶形態(tài)，阻礙樹枝晶的發(fā)展。(2) 促使液相在晶粒間流動(dòng)和相互補(bǔ)充；促使液相在晶粒間流動(dòng)和相互補(bǔ)充；(3)液膜瞬間被拉開，很快通過(guò)液膜瞬間被拉開，很快通過(guò)毛細(xì)管毛細(xì)管作用將周圍的液體滲入縫隙，作用將

21、周圍的液體滲入縫隙，起到填補(bǔ)和起到填補(bǔ)和“愈合愈合”作用。作用。共晶型合金不易產(chǎn)生凝固裂紋共晶型合金不易產(chǎn)生凝固裂紋, “愈合愈合” 是有效消除凝固裂紋方法。是有效消除凝固裂紋方法。結(jié)晶裂紋傾向較大的材料結(jié)晶裂紋傾向較大的材料(如高強(qiáng)鋁合金如高強(qiáng)鋁合金)，為了防止結(jié)晶裂紋，特，為了防止結(jié)晶裂紋，特意增多焊縫中易熔共晶的數(shù)量，使之具有意增多焊縫中易熔共晶的數(shù)量，使之具有“愈合愈合”裂紋的作用。裂紋的作用。 裂紋敏感性與易熔物質(zhì)在晶間形態(tài)有裂紋敏感性與易熔物質(zhì)在晶間形態(tài)有關(guān)：關(guān)： 以液膜形態(tài)存在時(shí)，凝固裂紋敏感性以液膜形態(tài)存在時(shí)，凝固裂紋敏感性大；以球狀存在時(shí)，裂紋敏感性小。大；以球狀存在時(shí)，裂紋

22、敏感性小。 液相液相在在相晶界處平衡關(guān)系：相晶界處平衡關(guān)系： =2cos(/2) 當(dāng)當(dāng)=0 ，則，則2= ；液相；液相易在易在晶界的毛細(xì)間隙內(nèi)延伸，形成連續(xù)液晶界的毛細(xì)間隙內(nèi)延伸，形成連續(xù)液膜，導(dǎo)致凝固裂紋傾向增大。膜，導(dǎo)致凝固裂紋傾向增大。 當(dāng)當(dāng)2 ，0，液相難以進(jìn)入晶，液相難以進(jìn)入晶界毛細(xì)間隙內(nèi)，不易成膜，裂紋傾向界毛細(xì)間隙內(nèi)，不易成膜，裂紋傾向小。小。(二二)力學(xué)因素對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋影響力學(xué)因素對(duì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋影響 產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的充分條件是必須產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的充分條件是必須要有力的作用。要有力的作用。 金屬?gòu)?qiáng)度金屬?gòu)?qiáng)度m決定于晶內(nèi)強(qiáng)度決定于晶內(nèi)強(qiáng)度G和晶間強(qiáng)度和晶間強(qiáng)度0，隨溫度升高而，隨溫度

23、升高而降低，降低，0下降較快。下降較快。 當(dāng)溫度達(dá)到當(dāng)溫度達(dá)到T0時(shí)，時(shí)，G=0，所，所以以T0稱為等強(qiáng)溫度稱為等強(qiáng)溫度。 TT0時(shí)，時(shí)，G0，若發(fā)生斷裂，若發(fā)生斷裂必然是晶間斷裂。必然是晶間斷裂。金屬?gòu)?qiáng)度隨溫度的變化和拉伸應(yīng)力關(guān)系金屬?gòu)?qiáng)度隨溫度的變化和拉伸應(yīng)力關(guān)系 G012(1)若焊縫承受拉應(yīng)力為若焊縫承受拉應(yīng)力為2， 2 0 0，就會(huì)產(chǎn)生裂紋。，就會(huì)產(chǎn)生裂紋。此即產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的充分條件。此即產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的充分條件。三、防治結(jié)晶裂紋的措施三、防治結(jié)晶裂紋的措施(一一)冶金因素方面冶金因素方面1 控制焊縫中硫、磷、碳等有害雜質(zhì)的含量控制焊縫中硫、磷、碳等有害雜質(zhì)的含量 S、P0.030.04，

24、C0.12。 焊接高合金鋼，焊接高合金鋼，S、Puc 試件很快斷裂，無(wú)延遲現(xiàn)象試件很快斷裂，無(wú)延遲現(xiàn)象(相當(dāng)于鋼的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)于鋼的抗拉強(qiáng)度b)。 Lc，由加載到發(fā)生裂紋之前要經(jīng)一段潛伏期，然后，由加載到發(fā)生裂紋之前要經(jīng)一段潛伏期，然后是裂紋擴(kuò)展，最后發(fā)生斷裂，即延遲斷裂。是裂紋擴(kuò)展，最后發(fā)生斷裂，即延遲斷裂。 5. 氫的應(yīng)力擴(kuò)散理論氫的應(yīng)力擴(kuò)散理論 金屬內(nèi)部的缺陷金屬內(nèi)部的缺陷為為潛在裂源，在應(yīng)潛在裂源，在應(yīng)力的作用下，形成了力的作用下，形成了三向應(yīng)力區(qū)，三向應(yīng)力區(qū)，誘使氫向該處擴(kuò)散、聚集誘使氫向該處擴(kuò)散、聚集。 當(dāng)氫濃度達(dá)到一定程度時(shí)，一方面當(dāng)氫濃度達(dá)到一定程度時(shí)，一方面產(chǎn)生較大的應(yīng)力，另

25、一方而阻礙位產(chǎn)生較大的應(yīng)力，另一方而阻礙位錯(cuò)移動(dòng)而使該處變脆。錯(cuò)移動(dòng)而使該處變脆。 試樣受力時(shí)，氫易向三向應(yīng)力區(qū)擴(kuò)試樣受力時(shí)，氫易向三向應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散，應(yīng)力也隨之提高，當(dāng)此部位散，應(yīng)力也隨之提高，當(dāng)此部位氫氫的濃度達(dá)到臨界值時(shí)，就會(huì)發(fā)生啟的濃度達(dá)到臨界值時(shí)，就會(huì)發(fā)生啟裂和裂紋擴(kuò)展。裂和裂紋擴(kuò)展。 氫向新的三向應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散，達(dá)到臨氫向新的三向應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散，達(dá)到臨界濃度時(shí)又發(fā)生了新的裂紋擴(kuò)展。界濃度時(shí)又發(fā)生了新的裂紋擴(kuò)展。這種過(guò)程可周而復(fù)始斷續(xù)進(jìn)行，直這種過(guò)程可周而復(fù)始斷續(xù)進(jìn)行，直至形成宏觀裂紋。至形成宏觀裂紋。延遲裂紋(三三)焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)1 熱應(yīng)力（不均勻加熱及冷卻）熱應(yīng)力（不均

26、勻加熱及冷卻） 母材和填充金屬的熱物理性質(zhì)有關(guān)；結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān)；母材和填充金屬的熱物理性質(zhì)有關(guān)；結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān)； 低碳鋼，殘余應(yīng)力可達(dá)低碳鋼，殘余應(yīng)力可達(dá)的的1.2倍倍2 組織應(yīng)力（相變產(chǎn)生）組織應(yīng)力（相變產(chǎn)生）高強(qiáng)鋼高強(qiáng)鋼AF，P、M，體積膨賬，而且，體積膨賬，而且轉(zhuǎn)變后的組織都具有較小的膨脹系數(shù)。表轉(zhuǎn)變后的組織都具有較小的膨脹系數(shù)。表5-7, P2483 結(jié)構(gòu)自身拘束條件所造成的應(yīng)力結(jié)構(gòu)自身拘束條件所造成的應(yīng)力 結(jié)構(gòu)的剛度、焊縫位置、焊接順序、構(gòu)件的自重、負(fù)載情況，結(jié)構(gòu)的剛度、焊縫位置、焊接順序、構(gòu)件的自重、負(fù)載情況，以及其他受熱部位冷卻過(guò)程中的收縮等。以及其他受熱部位冷卻過(guò)程中的收縮等。

27、三種應(yīng)力的綜合作用統(tǒng)稱為拘束應(yīng)力。三種應(yīng)力的綜合作用統(tǒng)稱為拘束應(yīng)力。 “內(nèi)拘束應(yīng)力內(nèi)拘束應(yīng)力”(即熱應(yīng)力和相變應(yīng)力即熱應(yīng)力和相變應(yīng)力) “外拘束應(yīng)力外拘束應(yīng)力”(結(jié)構(gòu)剛度、焊接順序、受載情況等造成的應(yīng)力結(jié)構(gòu)剛度、焊接順序、受載情況等造成的應(yīng)力)。 拘束應(yīng)力大小決定于受拘束的程度，即拘束度拘束應(yīng)力大小決定于受拘束的程度，即拘束度R。 R：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度焊縫，根部間隙產(chǎn)生單位長(zhǎng)度彈性位移所需要力。：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度焊縫，根部間隙產(chǎn)生單位長(zhǎng)度彈性位移所需要力。 對(duì)接接頭，兩端不固定，對(duì)接接頭，兩端不固定，焊后產(chǎn)生焊后產(chǎn)生S的熱收縮的熱收縮(應(yīng)變應(yīng)變量量)。 兩端固定時(shí)，兩端固定時(shí)，接頭的伸長(zhǎng)量等于接頭的伸長(zhǎng)量等于

28、S，S w+ b hw時(shí)，時(shí)， w0，忽略焊縫影響，忽略焊縫影響，S=bLELLLlFlFRbb1L， ，則，則R。臨界拘束度臨界拘束度Rcr 當(dāng)當(dāng)R值大到一定程度時(shí)就產(chǎn)生裂值大到一定程度時(shí)就產(chǎn)生裂紋，這時(shí)紋，這時(shí)R值稱為臨界拘束度。值稱為臨界拘束度。焊接接頭焊接接頭臨界拘束度臨界拘束度Rcr值越大，值越大，接頭的抗裂性越強(qiáng)。接頭的抗裂性越強(qiáng)。 拘束度與拘束應(yīng)力關(guān)系：拘束度與拘束應(yīng)力關(guān)系： =mR 同樣鋼種和同樣板厚，同樣鋼種和同樣板厚，接頭的坡口接頭的坡口型式不同，產(chǎn)生不同的拘束應(yīng)力。型式不同，產(chǎn)生不同的拘束應(yīng)力。 當(dāng)拘束度當(dāng)拘束度一定一定時(shí)，時(shí)，正正Y形、形、X形、形、斜斜Y形、形、K形、

29、形、V形，拘束應(yīng)力依次形，拘束應(yīng)力依次增加。增加。 臨界拘束應(yīng)力臨界拘束應(yīng)力cr：焊接時(shí)產(chǎn)生的拘焊接時(shí)產(chǎn)生的拘束應(yīng)力增大至開始產(chǎn)生裂紋，此時(shí)束應(yīng)力增大至開始產(chǎn)生裂紋，此時(shí)的應(yīng)力稱為的應(yīng)力稱為臨界拘束應(yīng)力臨界拘束應(yīng)力cr。 cr值作為評(píng)定冷裂敏感性判據(jù)。值作為評(píng)定冷裂敏感性判據(jù)。 cr幾個(gè)計(jì)算公示：幾個(gè)計(jì)算公示：P250-251 cr ，安全。，安全。與與R關(guān)系關(guān)系 化學(xué)成分、拘束應(yīng)力或拘束度、氫的有害作用以及焊接條件化學(xué)成分、拘束應(yīng)力或拘束度、氫的有害作用以及焊接條件 (一一)鋼種化學(xué)成分的影響鋼種化學(xué)成分的影響 碳當(dāng)量越高，淬硬傾向越大，即增大冷裂紋的敏感性。碳當(dāng)量越高，淬硬傾向越大，即增大

30、冷裂紋的敏感性。 Pc=Pcm+H/60+/600（考慮（考慮H及拘束度）及拘束度） Pw=Pcm+ H/60+R/400000 Pc，Pw為冷裂紋敏感指數(shù)為冷裂紋敏感指數(shù) 避免冷裂紋預(yù)熱溫度的經(jīng)驗(yàn)公式：避免冷裂紋預(yù)熱溫度的經(jīng)驗(yàn)公式：T01440Pw-392(二二)拘束應(yīng)力的影響拘束應(yīng)力的影響 拘束度與拘束應(yīng)力關(guān)系拘束度與拘束應(yīng)力關(guān)系：=mR。 板厚越大，則拘束度也越大板厚越大，則拘束度也越大。 50mm，R=71K1arctg(0.017)-(/400)2 評(píng)定冷裂敏感性的依據(jù)：評(píng)定冷裂敏感性的依據(jù)：RcrR 不產(chǎn)生裂紋；不產(chǎn)生裂紋；Rcrec(二二)晶內(nèi)沉淀強(qiáng)化作用晶內(nèi)沉淀強(qiáng)化作用 Cr,

31、Mo,V,Nb等元素的碳、氮化物，及沉淀相等元素的碳、氮化物，及沉淀相(相相,Ni3(Al,Ti)，在一次在一次焊接熱作用下因受熱而固溶焊接熱作用下因受熱而固溶(高于高于1100)，在焊后冷卻時(shí)，在焊后冷卻時(shí)不能充分析出不能充分析出，而，而在二次加熱再熱處理過(guò)程中，由晶內(nèi)析出碳、在二次加熱再熱處理過(guò)程中，由晶內(nèi)析出碳、氮化物及沉淀相，從而晶內(nèi)強(qiáng)化氮化物及沉淀相，從而晶內(nèi)強(qiáng)化，應(yīng)力松弛所產(chǎn)生的變形就集中應(yīng)力松弛所產(chǎn)生的變形就集中于晶界，于晶界，當(dāng)晶界的塑性不足時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生再熱裂紋。當(dāng)晶界的塑性不足時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生再熱裂紋。(三三)蠕變斷裂理論蠕變斷裂理論 再熱溫度條件下蠕變斷裂機(jī)制可有兩種模型：再熱

32、溫度條件下蠕變斷裂機(jī)制可有兩種模型：1 應(yīng)力集中產(chǎn)生的應(yīng)力集中產(chǎn)生的“楔型開裂楔型開裂” 蠕變條件下，蠕變條件下，發(fā)生應(yīng)力松弛的三晶發(fā)生應(yīng)力松弛的三晶粒交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中粒交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)此應(yīng)力超過(guò)晶界的結(jié)合力時(shí)就會(huì)在此，當(dāng)此應(yīng)力超過(guò)晶界的結(jié)合力時(shí)就會(huì)在此處產(chǎn)生裂紋。處產(chǎn)生裂紋。 裂紋開裂所需的應(yīng)力裂紋開裂所需的應(yīng)力c ，裂紋擴(kuò)展所需臨界應(yīng)力，裂紋擴(kuò)展所需臨界應(yīng)力p ：dEbpsc2)(23dEbpsp)1 () (222晶界有雜質(zhì)存在晶界有雜質(zhì)存在，c和和p也會(huì)降低，易于發(fā)生也會(huì)降低，易于發(fā)生再熱裂紋。再熱裂紋。2 空位聚集而產(chǎn)生的空位聚集而產(chǎn)生的“空位開裂空位開裂” 點(diǎn)陣空位在應(yīng)力和

33、溫度的作用下，點(diǎn)陣空位在應(yīng)力和溫度的作用下，發(fā)生運(yùn)動(dòng)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，當(dāng)空位聚集到與應(yīng)力方向垂直的晶界上達(dá)到足夠的數(shù)當(dāng)空位聚集到與應(yīng)力方向垂直的晶界上達(dá)到足夠的數(shù)目時(shí)，晶界的結(jié)合面就會(huì)遭到破壞，在應(yīng)力繼續(xù)作用下，使之?dāng)U目時(shí)，晶界的結(jié)合面就會(huì)遭到破壞，在應(yīng)力繼續(xù)作用下，使之?dāng)U大而成為裂紋。大而成為裂紋。金屬再熱處理過(guò)程中，金屬再熱處理過(guò)程中，發(fā)生蠕變時(shí)，通過(guò)空位的運(yùn)動(dòng)、聚集而發(fā)生蠕變時(shí)，通過(guò)空位的運(yùn)動(dòng)、聚集而形成空穴，逐漸長(zhǎng)大成為裂紋。形成空穴，逐漸長(zhǎng)大成為裂紋。如有雜質(zhì)沿晶界分布，也可作為空穴的發(fā)源地。如有雜質(zhì)沿晶界分布，也可作為空穴的發(fā)源地。三、再熱裂紋的影響因素及其防治三、再熱裂紋的影響因素及其防

34、治 影響再熱裂紋的主要因素是影響再熱裂紋的主要因素是鋼種的化學(xué)成分鋼種的化學(xué)成分(直接影響粗晶區(qū)的直接影響粗晶區(qū)的塑性塑性)和和焊接區(qū)的殘余應(yīng)力焊接區(qū)的殘余應(yīng)力(特別是應(yīng)力集中部位特別是應(yīng)力集中部位)。(一一)冶金因素冶金因素1 化學(xué)成分對(duì)再熱裂紋的影響隨鋼種的不同而差異化學(xué)成分對(duì)再熱裂紋的影響隨鋼種的不同而差異（P271，5-8386） P耐熱鋼，鋼中含耐熱鋼，鋼中含Mo量越多，量越多，Cr的影響越大。的影響越大。但當(dāng)達(dá)到一定含但當(dāng)達(dá)到一定含量時(shí)量時(shí)(如如Mo=1，Cr=0.5時(shí)時(shí))，隨，隨Cr增多，增多，SR裂紋率反而下降。裂紋率反而下降。在此鋼中在此鋼中含有含有V時(shí)，時(shí)，SR裂紋率顯著增

35、加裂紋率顯著增加。 隨鋼中含釩量增多，碳的影響增大。隨鋼中含釩量增多，碳的影響增大。2 鋼的晶粒度對(duì)再熱裂紋影響是明顯的鋼的晶粒度對(duì)再熱裂紋影響是明顯的 高強(qiáng)鋼的晶粒度越大，則晶界開裂所需的應(yīng)力高強(qiáng)鋼的晶粒度越大，則晶界開裂所需的應(yīng)力gc越小，越易產(chǎn)生越小，越易產(chǎn)生再熱裂紋。再熱裂紋。 另外，鋼中的雜質(zhì)另外，鋼中的雜質(zhì)(Sb)越多，也會(huì)降低晶界開裂所需的應(yīng)力越多，也會(huì)降低晶界開裂所需的應(yīng)力gc。 (二二)焊接工藝因素焊接工藝因素 焊接方法、線能量、預(yù)熱、后熱溫度，焊接材料匹配問(wèn)題等。焊接方法、線能量、預(yù)熱、后熱溫度，焊接材料匹配問(wèn)題等。1 焊接方法的影響焊接方法的影響 大的焊接線能量會(huì)使過(guò)熱區(qū)

36、的晶粒粗大，其中電大的焊接線能量會(huì)使過(guò)熱區(qū)的晶粒粗大，其中電渣焊最為嚴(yán)重。渣焊最為嚴(yán)重。 對(duì)于一些對(duì)于一些晶粗長(zhǎng)大敏感的鋼種晶粗長(zhǎng)大敏感的鋼種，埋弧焊時(shí)再熱裂紋的敏感性比手，埋弧焊時(shí)再熱裂紋的敏感性比手工電弧焊時(shí)為大。但對(duì)一些工電弧焊時(shí)為大。但對(duì)一些淬硬傾向較大淬硬傾向較大的鋼種，手弧焊反而比的鋼種，手弧焊反而比埋弧焊時(shí)的再熱裂紋傾向大。埋弧焊時(shí)的再熱裂紋傾向大。2 預(yù)熱及后熱的影響預(yù)熱及后熱的影響 預(yù)熱可以有效地防止冷裂紋，但對(duì)預(yù)熱可以有效地防止冷裂紋，但對(duì)防止再熱裂防止再熱裂紋，必須采用更高的預(yù)熱溫度或配合后熱才能有效。紋，必須采用更高的預(yù)熱溫度或配合后熱才能有效。 但但有些鋼種有些鋼種(

37、如德國(guó)鋼如德國(guó)鋼BHW38)，即使預(yù)熱溫度再高，也難以消除，即使預(yù)熱溫度再高，也難以消除再熱裂紋，再熱裂紋，必須采用其他方面的措施才能有效必須采用其他方面的措施才能有效(如使用特制的高如使用特制的高韌性焊條韌性焊條)。一些常用的低合金鋼防止再熱裂紋所需的預(yù)熱及后。一些常用的低合金鋼防止再熱裂紋所需的預(yù)熱及后熱參數(shù)如表熱參數(shù)如表5-14所示。所示。3 選用低匹配的焊接材料選用低匹配的焊接材料 適當(dāng)降低在再熱裂紋溫度區(qū)間焊縫金適當(dāng)降低在再熱裂紋溫度區(qū)間焊縫金屬的強(qiáng)度，提高它的塑性和韌性，對(duì)降低再熱裂紋的敏感性屬的強(qiáng)度，提高它的塑性和韌性，對(duì)降低再熱裂紋的敏感性是有益的。例如，焊接美國(guó)是有益的。例如

38、，焊接美國(guó)A514鋼時(shí)，采用不同強(qiáng)度級(jí)別焊鋼時(shí)，采用不同強(qiáng)度級(jí)別焊條，再熱裂紋率隨焊條強(qiáng)度的增高而增大；如圖條，再熱裂紋率隨焊條強(qiáng)度的增高而增大；如圖5-88及附表所及附表所示。示。4 降低殘余應(yīng)力和避免應(yīng)力集中降低殘余應(yīng)力和避免應(yīng)力集中 殘余應(yīng)力本應(yīng)在殘余應(yīng)力本應(yīng)在SR處理過(guò)程中處理過(guò)程中消除。但對(duì)消除。但對(duì)殘余應(yīng)力較大的焊件，在進(jìn)行殘余應(yīng)力較大的焊件，在進(jìn)行SR處理之前就有可處理之前就有可能造成粗晶區(qū)微裂，在能造成粗晶區(qū)微裂，在SR處理過(guò)程中會(huì)加速產(chǎn)生再熱裂紋。處理過(guò)程中會(huì)加速產(chǎn)生再熱裂紋。 應(yīng)力集中對(duì)產(chǎn)生再熱裂紋是十分明顯的。應(yīng)力集中對(duì)產(chǎn)生再熱裂紋是十分明顯的。 此外，焊縫咬邊、未焊透及

39、焊縫表面的余高，都會(huì)使熱影響此外，焊縫咬邊、未焊透及焊縫表面的余高，都會(huì)使熱影響區(qū)的粗晶部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，不同程度地增大了再熱裂紋的區(qū)的粗晶部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，不同程度地增大了再熱裂紋的敏感性。敏感性。第五節(jié)第五節(jié) 層狀撕裂層狀撕裂 大型厚壁結(jié)構(gòu)，在焊接過(guò)程中會(huì)沿鋼板的大型厚壁結(jié)構(gòu)，在焊接過(guò)程中會(huì)沿鋼板的厚度方向出現(xiàn)較大的厚度方向出現(xiàn)較大的拉伸應(yīng)力拉伸應(yīng)力，如果鋼中，如果鋼中有較多的夾雜有較多的夾雜，那么，那么沿鋼板軋制方向沿鋼板軋制方向出出現(xiàn)現(xiàn)一種臺(tái)階狀的裂紋一種臺(tái)階狀的裂紋，稱為層狀撕裂。，稱為層狀撕裂。 一、層狀撕裂的特征及其危害性一、層狀撕裂的特征及其危害性 層狀撕裂是一種內(nèi)部層狀撕裂是

40、一種內(nèi)部沿軋向的應(yīng)力開裂，特征是呈階梯狀沿軋向的應(yīng)力開裂，特征是呈階梯狀。 層狀撕裂由層狀撕裂由平行于軋向的平臺(tái)和大體垂直于平臺(tái)的剪切壁平行于軋向的平臺(tái)和大體垂直于平臺(tái)的剪切壁組成。組成。 層狀撕裂常出現(xiàn)在層狀撕裂常出現(xiàn)在T形接頭、角接頭和十字接頭形接頭、角接頭和十字接頭。 層狀撕裂主要與層狀撕裂主要與夾雜量及分布形態(tài)夾雜量及分布形態(tài)有關(guān)。有關(guān)。 層狀撕裂的形態(tài)也并不完全都呈梯形分布，層狀撕裂的形態(tài)也并不完全都呈梯形分布，當(dāng)沿軋制方向有較多當(dāng)沿軋制方向有較多的片狀的片狀MnS時(shí)，則層狀撕裂多以階梯狀出現(xiàn)；當(dāng)以硅酸鹽夾雜為時(shí)，則層狀撕裂多以階梯狀出現(xiàn)；當(dāng)以硅酸鹽夾雜為主時(shí)常呈直線狀；如以主時(shí)常呈

41、直線狀；如以A12O3夾雜為主時(shí)呈不規(guī)則的階梯狀。夾雜為主時(shí)呈不規(guī)則的階梯狀。層狀撕裂產(chǎn)生的位置：層狀撕裂產(chǎn)生的位置：(1)HAZ焊趾或焊根處由冷裂紋而焊趾或焊根處由冷裂紋而誘發(fā)形成的層狀撕裂；誘發(fā)形成的層狀撕裂；(2)HAZ沿夾雜開裂，是常見層狀沿夾雜開裂，是常見層狀撕裂；撕裂；(3)遠(yuǎn)離遠(yuǎn)離HAZ母材中沿夾雜開裂，母材中沿夾雜開裂，這種情況多出現(xiàn)在有較多這種情況多出現(xiàn)在有較多MnS的的片狀?yuàn)A雜的厚板結(jié)構(gòu)中。片狀?yuàn)A雜的厚板結(jié)構(gòu)中。二、層狀撕裂的形成機(jī)理及其影響因素二、層狀撕裂的形成機(jī)理及其影響因素(一一)層狀撕裂的形成機(jī)理層狀撕裂的形成機(jī)理 厚板結(jié)構(gòu)焊接時(shí)，特別是厚板結(jié)構(gòu)焊接時(shí)，特別是T形和

42、角接接頭，強(qiáng)制拘束條件下，形和角接接頭，強(qiáng)制拘束條件下，焊縫收縮時(shí)會(huì)在焊縫收縮時(shí)會(huì)在母材厚度方向母材厚度方向產(chǎn)生很大的拉伸應(yīng)力和應(yīng)變；產(chǎn)生很大的拉伸應(yīng)力和應(yīng)變； 當(dāng)當(dāng)應(yīng)變超過(guò)母材金屬的塑性變形能力時(shí)應(yīng)變超過(guò)母材金屬的塑性變形能力時(shí)(沿板厚方向沿板厚方向)，夾雜物夾雜物與金屬基休之間就會(huì)發(fā)生分離而產(chǎn)生微裂與金屬基休之間就會(huì)發(fā)生分離而產(chǎn)生微裂，在應(yīng)力的繼續(xù)作用，在應(yīng)力的繼續(xù)作用下，裂紋尖端沿著夾雜所在平面進(jìn)行擴(kuò)展，就形成了所謂下，裂紋尖端沿著夾雜所在平面進(jìn)行擴(kuò)展，就形成了所謂“平平臺(tái)臺(tái)”。 在相鄰兩個(gè)平臺(tái)之間，由于不在一個(gè)平面上而發(fā)生剪切應(yīng)力，在相鄰兩個(gè)平臺(tái)之間，由于不在一個(gè)平面上而發(fā)生剪切應(yīng)力，

43、造成了剪切斷裂，形成所謂造成了剪切斷裂，形成所謂“剪切壁剪切壁”。 連接這些平臺(tái)和剪切壁，就構(gòu)成了層狀撕裂所特有的階梯形態(tài)。連接這些平臺(tái)和剪切壁，就構(gòu)成了層狀撕裂所特有的階梯形態(tài)。(二二)影響層狀撕裂的因素影響層狀撕裂的因素1 非金屬夾雜物的種類、數(shù)量和分布形態(tài)非金屬夾雜物的種類、數(shù)量和分布形態(tài) 鋼中夾雜物：鋁酸鹽夾雜物成球形分布，對(duì)層狀撕裂的敏感性鋼中夾雜物：鋁酸鹽夾雜物成球形分布，對(duì)層狀撕裂的敏感性稍差，而硫化物和硅酸鹽都是呈不規(guī)則的條形分布，對(duì)層狀撕稍差，而硫化物和硅酸鹽都是呈不規(guī)則的條形分布，對(duì)層狀撕裂的敏感性稍大。裂的敏感性稍大。 夾雜物在鋼中分布及含量可用兩個(gè)物理量來(lái)確定：夾雜物在

44、鋼中分布及含量可用兩個(gè)物理量來(lái)確定： (1)夾雜物的體積比夾雜物的體積比 試樣中夾雜物的總體積與試樣總體積之比；試樣中夾雜物的總體積與試樣總體積之比； (2)夾雜物的累積長(zhǎng)度夾雜物的累積長(zhǎng)度 是指單位面積上夾雜長(zhǎng)度的總和。是指單位面積上夾雜長(zhǎng)度的總和。 Z向的斷面收縮率向的斷面收縮率z是隨夾雜物的體積比和累積長(zhǎng)度的增加而顯是隨夾雜物的體積比和累積長(zhǎng)度的增加而顯著下降。著下降。 2 Z向拘束應(yīng)力向拘束應(yīng)力 厚壁結(jié)構(gòu)在焊接過(guò)程中承受不同程度的厚壁結(jié)構(gòu)在焊接過(guò)程中承受不同程度的Z向拘束應(yīng)向拘束應(yīng)力，同時(shí)還有焊后的殘余應(yīng)力及負(fù)載，它們是造成層狀撕裂的力，同時(shí)還有焊后的殘余應(yīng)力及負(fù)載，它們是造成層狀撕裂

45、的力學(xué)條件。力學(xué)條件。3 氫的影響氫的影響 在在HAZ附近，由附近，由冷裂誘發(fā)成為層狀撕裂冷裂誘發(fā)成為層狀撕裂中氫是一個(gè)重中氫是一個(gè)重要的影響因素。要的影響因素。三、層狀撕裂的判據(jù)三、層狀撕裂的判據(jù) 層狀撕裂常用的評(píng)定方法有：層狀撕裂常用的評(píng)定方法有：Z向拉伸斷面收縮率和插銷向拉伸斷面收縮率和插銷Z向臨向臨界應(yīng)力。界應(yīng)力。前者多用于無(wú)氫條件下母材的評(píng)定，后者多用于有氫條前者多用于無(wú)氫條件下母材的評(píng)定，后者多用于有氫條件下的焊接熱影響區(qū)評(píng)定。件下的焊接熱影響區(qū)評(píng)定。(一一)Z向拉伸斷面收縮率向拉伸斷面收縮率z為判據(jù)為判據(jù) 采用采用Z向拉伸斷面收縮率作為評(píng)向拉伸斷面收縮率作為評(píng)定層狀撕裂的判據(jù)。試

46、祥的形狀如圖定層狀撕裂的判據(jù)。試祥的形狀如圖5-94（P277）所示。所示。為防止為防止層狀撕裂，斷面收縮率層狀撕裂，斷面收縮率z應(yīng)不小于應(yīng)不小于15，一般希望一般希望 z= =1520；當(dāng)；當(dāng)z 25時(shí)，認(rèn)為抗層狀撕裂優(yōu)異。時(shí)，認(rèn)為抗層狀撕裂優(yōu)異。 (二二)插銷插銷Z向應(yīng)力為判據(jù)向應(yīng)力為判據(jù) 鋼中化學(xué)成分，特別是含硫量對(duì)層狀撕裂鋼中化學(xué)成分，特別是含硫量對(duì)層狀撕裂有重要的影響。為此，在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了層狀撕裂敏感有重要的影響。為此，在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了層狀撕裂敏感性（性（PL）評(píng)定公式。）評(píng)定公式。層狀撕裂敏感指數(shù)與層狀撕裂敏感指數(shù)與Z向插銷應(yīng)力之間的關(guān)系向插銷應(yīng)力之間的關(guān)系四、防

47、止層狀撕裂的措施四、防止層狀撕裂的措施(一一)選用具有抗層狀撕裂的鋼材選用具有抗層狀撕裂的鋼材 1 精煉鋼精煉鋼 含硫含硫0.0030.005的超低硫鋼，它的斷面收縮率的超低硫鋼，它的斷面收縮率(Z向向)可達(dá)可達(dá)2345。 爐外精煉亦可冶煉出高純凈鋼，它的辦法是向鋼液內(nèi)吹入氮?dú)?，爐外精煉亦可冶煉出高純凈鋼，它的辦法是向鋼液內(nèi)吹入氮?dú)猓偈箠A雜物上浮。促使夾雜物上浮。 含硫量含硫量1030ppm，Z向斷面收縮率可達(dá)向斷面收縮率可達(dá)6075。選用這類鋼。選用這類鋼材制造大型重要的焊接結(jié)構(gòu)，可以完全解決層狀撕裂問(wèn)題。材制造大型重要的焊接結(jié)構(gòu)，可以完全解決層狀撕裂問(wèn)題。 2 控制硫化物夾雜的形態(tài)控制硫

48、化物夾雜的形態(tài) 是把鋼中是把鋼中MnS變成其他元素的硫化物，變成其他元素的硫化物，使在熱軋時(shí)難以伸長(zhǎng)，從而減輕各向異性。目前廣泛使用的添使在熱軋時(shí)難以伸長(zhǎng)，從而減輕各向異性。目前廣泛使用的添加元素是鈣和稀上元素，經(jīng)過(guò)上述處理的鋼，加元素是鈣和稀上元素，經(jīng)過(guò)上述處理的鋼，Z向斷面收縮率向斷面收縮率可達(dá)可達(dá)5070，足以抗層狀撕裂。，足以抗層狀撕裂。 (二二)設(shè)計(jì)和工藝上的措施設(shè)計(jì)和工藝上的措施(1)應(yīng)盡量避免單側(cè)焊縫，改用雙側(cè)焊縫，這樣可以緩和焊縫根部的應(yīng)盡量避免單側(cè)焊縫，改用雙側(cè)焊縫，這樣可以緩和焊縫根部的應(yīng)力狀態(tài)，并防止應(yīng)力集中應(yīng)力狀態(tài)，并防止應(yīng)力集中(見圖見圖5-96a)。(2)在強(qiáng)度允許

49、的情況下，盡量采用焊接量少的對(duì)稱角焊縫來(lái)代替焊在強(qiáng)度允許的情況下，盡量采用焊接量少的對(duì)稱角焊縫來(lái)代替焊接量大的全焊透焊縫，以避免產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力接量大的全焊透焊縫，以避免產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力(見圖見圖5-96b)。(3)應(yīng)在承受應(yīng)在承受Z向應(yīng)力的一例開坡口向應(yīng)力的一例開坡口(見圖見圖5-96c)。(4)對(duì)于對(duì)于T形接頭，可在橫板上預(yù)形接頭，可在橫板上預(yù)先堆焊一層低強(qiáng)的熔敷金屬，以先堆焊一層低強(qiáng)的熔敷金屬，以防止焊根出現(xiàn)裂紋，同時(shí)亦可緩防止焊根出現(xiàn)裂紋，同時(shí)亦可緩和橫板的和橫板的Z向應(yīng)力向應(yīng)力(見圖見圖5-96d)。(5)為防止由冷裂引起的層狀撕裂，為防止由冷裂引起的層狀撕裂，應(yīng)盡量采用一些防止冷裂的措

50、施，應(yīng)盡量采用一些防止冷裂的措施，如降低氫量、適當(dāng)提高預(yù)熱、控如降低氫量、適當(dāng)提高預(yù)熱、控制層間溫度等。制層間溫度等。 表5-15層狀撕裂的類型、產(chǎn)生原因及防止措施第六節(jié)第六節(jié) 應(yīng)力腐蝕裂紋應(yīng)力腐蝕裂紋一、應(yīng)力腐蝕裂紋的危害性一、應(yīng)力腐蝕裂紋的危害性 隨著工業(yè)的發(fā)展，要求焊接結(jié)構(gòu)隨著工業(yè)的發(fā)展，要求焊接結(jié)構(gòu)(如，壓力容器和管道等如，壓力容器和管道等)在腐蝕在腐蝕介質(zhì)條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。然而，介質(zhì)條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。然而，焊接結(jié)構(gòu)一般都存在不同程度焊接結(jié)構(gòu)一般都存在不同程度的殘余應(yīng)力，在腐蝕介質(zhì)條件下工作極易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的殘余應(yīng)力，在腐蝕介質(zhì)條件下工作極易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。對(duì)。對(duì)SCC裂紋所

51、造成的各種失效事故，越來(lái)越引起各國(guó)的重視，因?yàn)榱鸭y所造成的各種失效事故，越來(lái)越引起各國(guó)的重視，因?yàn)樗鶐?lái)的危害十分嚴(yán)重。它所帶來(lái)的危害十分嚴(yán)重。 日本日本1965-1975年間化工設(shè)備所發(fā)生的破壞事故中，年間化工設(shè)備所發(fā)生的破壞事故中，有近半數(shù)是有近半數(shù)是屬應(yīng)力腐蝕破壞。屬應(yīng)力腐蝕破壞。我國(guó)各類球罐，從我國(guó)各類球罐，從1975-1980年間所發(fā)生年間所發(fā)生20臺(tái)臺(tái)球罐事故中，有球罐事故中，有40是由于是由于SCC所引起。所引起。 應(yīng)力腐蝕裂紋問(wèn)題十分復(fù)雜應(yīng)力腐蝕裂紋問(wèn)題十分復(fù)雜，涉及到力學(xué)、電化學(xué)、金屬物理、，涉及到力學(xué)、電化學(xué)、金屬物理、焊接冶金等多方面學(xué)科，需要一些高級(jí)測(cè)試手段。因此，到

52、目前焊接冶金等多方面學(xué)科，需要一些高級(jí)測(cè)試手段。因此，到目前為止，對(duì)為止，對(duì)SCC的機(jī)理還不是十分清楚。的機(jī)理還不是十分清楚。二、應(yīng)力腐蝕裂紋的特征二、應(yīng)力腐蝕裂紋的特征 應(yīng)力腐蝕裂紋的主要特征如下：應(yīng)力腐蝕裂紋的主要特征如下：(一一)應(yīng)力腐蝕裂紋的分布應(yīng)力腐蝕裂紋的分布 從表面上看，從表面上看，裂紋的分布如同疏松的網(wǎng)狀或龜裂分布裂紋的分布如同疏松的網(wǎng)狀或龜裂分布。在焊縫的。在焊縫的表面上，表面上，多以橫向裂紋出現(xiàn)多以橫向裂紋出現(xiàn)(見圖見圖5-97b)。 如果引入金屬內(nèi)部觀察，如果引入金屬內(nèi)部觀察，SCC的形態(tài)如同樹根一樣。的形態(tài)如同樹根一樣。從斷口的形從斷口的形態(tài)來(lái)看，是屬典型的脆性斷口。態(tài)

53、來(lái)看，是屬典型的脆性斷口。(二二)SCC的開裂途徑的開裂途徑 沿晶開裂沿晶開裂：低碳鋼、低合金鋼、鋁合金、：低碳鋼、低合金鋼、鋁合金、黃銅，鎳基合金等。黃銅，鎳基合金等。 穿晶開裂：穿晶開裂：黃銅和在氯化物介質(zhì)中的奧氏體不銹鋼。黃銅和在氯化物介質(zhì)中的奧氏體不銹鋼。 混合開裂：混合開裂：奧氏體不銹鋼，當(dāng)腐蝕介質(zhì)不同時(shí)，奧氏體不銹鋼，當(dāng)腐蝕介質(zhì)不同時(shí)，即可能出現(xiàn)沿晶即可能出現(xiàn)沿晶開裂，也可能出現(xiàn)穿晶開裂，或者出現(xiàn)沿晶與穿晶的混合開裂。開裂，也可能出現(xiàn)穿晶開裂，或者出現(xiàn)沿晶與穿晶的混合開裂。 奧氏體不銹鋼在不同腐蝕介質(zhì)中的奧氏體不銹鋼在不同腐蝕介質(zhì)中的SCC開裂行徑參見表開裂行徑參見表5-16所示。

54、所示。圖圖5-97 SCC的分布的分布 a）母材表面的）母材表面的SCC b)焊縫表面的焊縫表面的SCC圖圖5-98 金屬內(nèi)金屬內(nèi)部的部的SCC 圖圖5-99 SCC河流狀穿晶斷口河流狀穿晶斷口 SCC的斷口上都不同程度地附有腐蝕的斷口上都不同程度地附有腐蝕產(chǎn)物產(chǎn)物,很難看出斷口的特征。很難看出斷口的特征。SCC的穿晶斷口，在掃描電鏡下可以的穿晶斷口，在掃描電鏡下可以觀察到河流狀條紋。觀察到河流狀條紋。 (三三)SCC的產(chǎn)生與應(yīng)力的產(chǎn)生與應(yīng)力 產(chǎn)生產(chǎn)生SCC的另一持點(diǎn)就是必須有拉伸應(yīng)力存在的另一持點(diǎn)就是必須有拉伸應(yīng)力存在，而焊接結(jié)構(gòu)如不經(jīng)消除應(yīng)力處理，必然存在而焊接結(jié)構(gòu)如不經(jīng)消除應(yīng)力處理，必然

55、存在殘余應(yīng)力，這是產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這是產(chǎn)生SCC的重要條件。的重要條件。所以對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)來(lái)講，即使不承受載荷，只所以對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)來(lái)講，即使不承受載荷，只要有腐蝕介質(zhì)存在，就會(huì)產(chǎn)生要有腐蝕介質(zhì)存在，就會(huì)產(chǎn)生SCC。通常對(duì)于重要的焊接結(jié)構(gòu)，通常對(duì)于重要的焊接結(jié)構(gòu)，如在腐蝕條件下工如在腐蝕條件下工作，必須進(jìn)行消除應(yīng)力處理。作，必須進(jìn)行消除應(yīng)力處理。 三、產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的機(jī)理三、產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的機(jī)理(一一)電化學(xué)應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理電化學(xué)應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理 根據(jù)近年來(lái)電化學(xué)方面的研究，把應(yīng)力腐蝕開裂分為兩個(gè)方面。根據(jù)近年來(lái)電化學(xué)方面的研究，把應(yīng)力腐蝕開裂分為兩個(gè)方面。 (1)陽(yáng)極溶解腐蝕開裂陽(yáng)極溶解腐蝕開裂(簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱APC)：在應(yīng)力的作用下，陽(yáng)極發(fā)生在應(yīng)力的作用下，陽(yáng)極發(fā)生M+的溶解，即金屬以離子狀態(tài)溶入介質(zhì)：的溶解，即金屬以離子狀態(tài)溶入介質(zhì)：M M+e，即為即為APC型型的的SCC過(guò)程。過(guò)程。 (2)陰極氫脆開裂陰極氫脆開裂(簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱HEC)：若金屬表面與含有若金屬表面與含有H+的介質(zhì)接觸，的介質(zhì)接觸，電子電子e與與H+ （質(zhì)子）結(jié)合成原子（質(zhì)子）結(jié)合成原子H： H+ +e H，H原子向金屬中原子向金屬中擴(kuò)散，造成脆化。擴(kuò)散，造成脆化。圖圖5-100 APC和和HEC應(yīng)力腐蝕過(guò)程應(yīng)力腐蝕過(guò)程 (二二)機(jī)械破裂應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理機(jī)械破裂應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理