第三節(jié)冷裂紋

第三節(jié)冷裂紋1第1頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施一、冷裂紋的分類(lèi)及特征二、冷裂紋的影響因素三、延遲裂紋的形成機(jī)理四、冷裂紋的控制第2頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施一、冷裂紋的分類(lèi)及特征

按裂紋形成原因，冷裂紋可分為以下三類(lèi)：延遲裂紋淬硬脆化裂紋低塑性脆化裂紋按加工方法分類(lèi)，可分為：鑄造冷裂紋焊接冷裂紋第3頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施延遲裂紋（氫致裂紋）在氫、鋼材淬硬組織和拘束應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生。形成溫度在Ms以下200℃至室溫范圍。具有明顯的延遲特征（故又稱為氫致裂紋）。裂紋的產(chǎn)生存在著潛伏期（幾小時(shí)、幾天甚至更長(zhǎng)）、緩慢擴(kuò)展期和突然開(kāi)裂三個(gè)連續(xù)過(guò)程。由于能量的釋放，?？陕?tīng)到較清晰的開(kāi)裂聲音（可用聲發(fā)射儀來(lái)監(jiān)測(cè)）。常發(fā)生在剛性較大的低碳鋼、低合金鋼的焊接結(jié)構(gòu)中。第4頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施淬硬脆化裂紋某些淬硬傾向大的鋼種，熱加工后冷卻到Ms至室溫時(shí)，因發(fā)生馬氏體相變而脆化，在拘束應(yīng)力作用下即可產(chǎn)生開(kāi)裂。這種裂紋又稱為淬火裂紋，其產(chǎn)生與氫的關(guān)系不大，基本無(wú)延遲現(xiàn)象，成形加工后常立即出現(xiàn)。這類(lèi)裂紋常出現(xiàn)在具有強(qiáng)烈淬硬傾向的高（中）碳鋼、高強(qiáng)度合金鋼、工具鋼的焊件中。第5頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施低塑性脆化裂紋它是某些低塑性材料冷卻到較低溫度時(shí)，由于體積收縮所引起的應(yīng)變超過(guò)了材料本身所具有的塑性儲(chǔ)備量時(shí)所產(chǎn)生的裂紋。這種裂紋通常也無(wú)延遲現(xiàn)象，常發(fā)生在鑄鐵或硬質(zhì)合金構(gòu)件的成形加工中。如灰口鑄鐵在400℃以下基本無(wú)塑性，焊接裂紋傾向很大。第6頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施

鑄造冷裂紋是鑄件凝固后冷卻到彈性狀態(tài)時(shí)，因局部鑄造應(yīng)力大于材料強(qiáng)度極限而引起的開(kāi)裂。這類(lèi)裂紋總是發(fā)生在冷卻過(guò)程中承受較高拉應(yīng)力的部位，特別是應(yīng)力集中部位。壁厚不均勻、形狀復(fù)雜的大型鑄件容易產(chǎn)生冷裂紋。齒輪毛坯中的鑄造冷裂紋鑄件尖角部位的裂紋第7頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月8第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施焊接生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的低合金鋼接頭中的延遲裂紋：132323圖11-60焊接冷裂紋分布形態(tài)1－焊道下裂紋2－焊根裂紋3－焊趾裂紋起裂部位特點(diǎn)：是應(yīng)力集中部位；存在粗大的馬氏體組織；氫含量高。第8頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施二、冷裂紋的影響因素

高強(qiáng)度鋼接頭產(chǎn)生冷裂紋的主要因素是：

（一）接頭中擴(kuò)散氫的含量與分布

（二）鋼材的淬硬傾向（三）接頭中的拘束應(yīng)力狀態(tài)

第9頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施

實(shí)際低合金高強(qiáng)鋼接頭中產(chǎn)生的冷裂紋是上述三大因素綜合作用的結(jié)果，但有時(shí)可能只是其中一個(gè)或二個(gè)因素起主要作用，其余的起輔助作用。三大影響因素的作用可歸納成經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)評(píng)價(jià)冷裂紋敏感性。其中最常用的關(guān)系式為：式中，Pw、Pc是冷裂紋敏感指數(shù)；[H]是熔敷金屬擴(kuò)散氫含量（mL/100g）；R是拘束度（N.mm-2)；δ是工件厚度（mm）；Pcm是鋼材合金元素的碳當(dāng)量。第10頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月11第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施（一）接頭中擴(kuò)散氫的含量與分布因焊接冷卻速度很快，高溫下溶入液態(tài)金屬中的氫來(lái)不及逸出，以過(guò)飽和狀態(tài)保留在已凝固的焊縫中。由于H的尺寸很小，可以在金屬晶格點(diǎn)陣中自由擴(kuò)散，焊后接頭中尚未來(lái)得及擴(kuò)散出去的氫稱為殘留擴(kuò)散氫[H]R。焊后[H]R在濃度差的作用下將自發(fā)地向焊縫周?chē)暮附訜嵊绊憛^(qū)擴(kuò)散。

第11頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月12第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施焊接冷卻過(guò)程中，當(dāng)溫度足夠高時(shí)，[H]R能很快從金屬內(nèi)部擴(kuò)散逸出，不會(huì)引起裂紋；當(dāng)溫度很低時(shí)，氫的擴(kuò)散將受到抑制，也不會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂。只有在一定溫度范圍（－100～100℃）時(shí)，[H]R才會(huì)起致裂作用，這一溫度范圍稱為延遲裂紋的敏感溫度區(qū)間。[H]R在接頭中的含量與焊接工藝過(guò)程有關(guān)。第12頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月13第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施[H]R在接頭中的分布狀況取決于氫在接頭中的擴(kuò)散行為，后者服從以下規(guī)律：

“濃度擴(kuò)散”

“相變誘導(dǎo)擴(kuò)散”

“應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散”

可見(jiàn)接頭中的[H]R聚集部位正是延遲裂紋的多發(fā)部位。焊接熱影響區(qū)焊道下過(guò)熱粗晶區(qū)焊趾與焊根部位第13頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月14第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施相變誘導(dǎo)擴(kuò)散氫在奧氏體（γ-Fe）中的溶解度較大，擴(kuò)散系數(shù)較?。欢阼F素體（α-Fe）中的溶解度較小，擴(kuò)散系數(shù)較大。因此，當(dāng)金屬自高溫冷卻發(fā)生A→F相變時(shí)，氫就會(huì)由轉(zhuǎn)變后的鐵素體向尚未轉(zhuǎn)變的奧氏體中擴(kuò)散，導(dǎo)致氫在某些部位產(chǎn)生聚集。熔敷金屬因含碳量低于母材而先發(fā)生（A→F+P）轉(zhuǎn)變，使焊縫中的[H]R向焊接熱影響區(qū)擴(kuò)散。繼續(xù)冷卻該區(qū)金屬由奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，氫便以過(guò)飽和狀態(tài)殘留在馬氏體中。

第14頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月15第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施“應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散”氫在金屬中有向三向拉伸應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散的趨勢(shì)。在應(yīng)力集中或缺口部位常會(huì)產(chǎn)生氫的局部聚集，使該處最早達(dá)到氫的臨界含量。應(yīng)力梯度越大，氫擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力就越大，亦即應(yīng)力對(duì)氫的誘導(dǎo)擴(kuò)散作用越大。第15頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月16第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施（二）鋼材的淬硬傾向

淬硬傾向是鋼材產(chǎn)生冷裂紋的又一重要因素。鋼材的淬硬傾向越大，越容易產(chǎn)生裂紋。其原因在于淬硬傾向大的鋼材，易形成硬脆的馬氏體組織和高密度的晶格缺陷（如空位和位錯(cuò)等），這些晶格缺陷在應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生移動(dòng)和聚集，當(dāng)其濃度達(dá)到臨界值時(shí)，就會(huì)形成裂紋源，并進(jìn)一步擴(kuò)展成宏觀裂紋。鋼材的碳當(dāng)量反映了化學(xué)成分對(duì)硬化程度的影響，據(jù)此可以判斷鋼材的冷裂傾向大小。鋼材的碳當(dāng)量越大，其淬硬傾向和冷裂傾向越大。第16頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月17第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施（三）接頭中的拘束應(yīng)力狀態(tài)

如前所述，焊接接頭存在拘束應(yīng)力。拉伸拘束應(yīng)力是引起冷裂紋的直接原因，并且還會(huì)加劇氫的有害作用。接頭的拘束度與拘束應(yīng)力大小，可近似地用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，如平板對(duì)接接頭：δlFFLm是轉(zhuǎn)換系數(shù)，與鋼的線脹系數(shù)、比熱容、接頭坡口形式和焊接方法等因素有關(guān)。由公式可見(jiàn)：剛性大（彈性模量E大或板厚δ大）或拘束距離L小的焊接結(jié)構(gòu)，拘束度與拘束應(yīng)力高，裂紋傾向大。第17頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月18第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施三、延遲裂紋的形成機(jī)理

熱應(yīng)力在缺陷（裂紋源）前沿形成三向應(yīng)力區(qū)，誘使氫向其內(nèi)擴(kuò)散、聚集使內(nèi)壓力增大。缺陷前沿應(yīng)力增大，材料脆性增加。氫濃度達(dá)到臨界值時(shí)，缺陷前沿開(kāi)裂、微裂紋擴(kuò)展。裂紋尖端形成新的三向應(yīng)力區(qū)。氫繼續(xù)向新的三向應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散、聚集…

這一過(guò)程周而復(fù)始持續(xù)進(jìn)行，直至形成宏觀裂紋。應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散理論：第18頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月19第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施由于微裂紋的形成與裂紋的擴(kuò)展與[H]R的擴(kuò)散、聚集速度有關(guān)，所以有延遲斷裂特征。產(chǎn)生裂紋之前的潛伏期的長(zhǎng)短與裂紋區(qū)的應(yīng)力大小有關(guān)。拉應(yīng)力越小，啟裂所需臨界氫的濃度越高，潛伏期（延遲時(shí)間）就越長(zhǎng)。σuc應(yīng)力σ/MPaσLC時(shí)間t/h斷裂曲線潛伏期裂紋擴(kuò)展裂紋發(fā)生曲線圖11-65延遲斷裂時(shí)間與應(yīng)力的關(guān)系σUC－上臨界應(yīng)力σLC－下臨界應(yīng)力第19頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月20第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施四、冷裂紋的控制

對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼焊接冷裂紋的控制，總的原則是控制冷裂紋形成的三大要素，即降低擴(kuò)散氫的含量、改善接頭組織和減小拘束應(yīng)力。焊接中常用的措施是合理選用焊接材料以及嚴(yán)格控制焊接工藝，必要時(shí)采用焊前預(yù)熱與后熱消氫處理。第20頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月21第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施選用低氫型焊材或焊接方法焊前嚴(yán)格清理焊件表面油污焊前預(yù)熱T0=1440Pw-392℃防止冷裂紋的措施冷裂紋的影響因素減少淬硬組織減少[H]R含量降低拘束應(yīng)力緊急后熱約300℃并保溫合理的焊接線能量及焊接順序第21頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月22第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施這張照片是在哥倫比亞號(hào)返回地球的11天前拍攝（2003年2月3日）并傳回的，當(dāng)時(shí)以色列總理沙龍正通過(guò)衛(wèi)星與哥倫比亞號(hào)上首位進(jìn)入太空的以色列宇航員拉蒙進(jìn)行視頻對(duì)話，照片是通過(guò)哥倫比亞號(hào)上隨機(jī)安裝的一架照相機(jī)拍攝的。照片上顯示，哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)的左翼上有兩條清晰的裂紋。這兩條裂紋應(yīng)該就是導(dǎo)致哥倫比亞號(hào)在著陸前16分鐘出現(xiàn)技術(shù)問(wèn)題，并且最終爆炸解體的主要原因。

第22頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月23第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施CF62鋼球罐使用過(guò)程中在焊縫附近發(fā)現(xiàn)的裂紋

60×第23頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月24第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施不同焊接工藝條件下熔覆金屬中的擴(kuò)散氫含量鈦型焊條:30ml/100g

纖維素型焊條:60ml/100g

低氫型焊條:5-7ml/100g