焊接裂纹及形成条件形成机理.ppt

1,第一节概述,第二节焊接热裂纹,第三节焊接冷裂纹,第四节再热裂纹,第五节层状撕裂,第六节应力腐蚀裂纹,第七节焊接裂纹综合分析和判断,第五章焊接裂纹,2,重点内容,1、裂纹的分类用一般特征2、结晶裂纹的形成机理2、焊接冷裂纹的形成机理，特征、影响因素，及其防冶措施2、焊接裂纹综合分析及判断3、各种裂纹断口形貌特征,3,5-1概述,一、危害性焊接结构产生裂纹轻者需要返修，浪费人力、物力、时间，重者造成焊接结构报废，无法修补。更严重者造成事故、人身伤亡。如1969年有一艘5万吨的矿石运输船在太平洋上航行时，断裂成两段而沉没，在压力容器破坏事故中，有很多都是由于焊接裂纹造成。因此，解决研究焊接裂纹已成为当前主要课题。,4,二、种类,各种不同类型的裂纹焊缝中纵向裂纹焊缝上横向裂纹热影响区纵向裂纹热影响区横向裂纹火口（弧坑）裂纹焊道下裂纹焊缝内部晶间裂纹焊趾裂纹热影响区焊缝贯穿裂纹焊缝根部裂纹,5,分类:,1、按裂纹分布的走向分,纵向裂纹,2、按裂纹发生部位分,横向裂纹纵向裂纹星形（弧形裂纹）,焊缝金属中裂纹热影响区中裂纹焊缝热影响区贯穿裂纹,6,3、按产生本质分类,1）、热裂纹（高温裂纹）产生：热裂纹(高温裂纹)高温下产生存在部位：焊缝为主,热影响区,特征：宏观看,沿焊缝的轴向成纵向分布（连续或继续）也可看到缝横向裂纹，裂口均有较明显的氧化色彩，表面无光泽，微观看，沿晶粒边界（包括亚晶界）分布，属于沿晶断裂性质,7,1)、热裂纹分类,结晶裂纹：在凝固的过程-结晶过程中产生高温液化裂纹：在高温下产生,钢材或多层焊的层间金属含有低熔点化合物经重新溶化，在收缩应力作用下,沿奥氏体晶间发生开裂多边化裂纹：产生温度低于固相线温度,存在晶格缺陷(位错和空位),物理化学的不均匀性,在应力作用下,缺陷聚集形成多边化边界,使强度塑性下降,沿多边化边界开裂,多发生纯金属或单相奥氏体合金焊缝。,8,HAZ液化裂纹,晶间裂纹,多边化裂纹,9,2）、再热裂纹（消除应力处理裂纹）,由于重新加热（热处理）过程中产生称再热裂纹消除应力处理裂纹。,3）、冷裂纹,产生温度：温度区间在+100-75之间存在部位:多在热影响区,但也有发生在焊缝。特征（断口）：宏观断口具有发亮的金属光泽的脆性断裂特征。微观看：晶间断裂，但也可穿晶（晶内）断裂，也可晶间和穿晶混合断裂。,10,冷裂纹分类：,延迟裂纹：特点不在焊后立即出现，有一段孕育期产生迟滞现象称延迟裂纹。淬硬脆化裂纹（淬火裂纹）：淬硬倾向大的组织易产生这种裂纹（与氢含量关系不大）。低塑性脆化裂纹：在比较低的温度下，由于收缩应变超过了材料本身的塑性储备产生的裂纹称低塑性脆化裂纹。,11,延迟裂纹,12,4）、层状撕裂：,由于轧制母材内部存在有分层的夹杂物(特别是硫化物夹杂物）和焊接时产生的垂直轧制方向的应力，使热影响区附近地方产生呈“台阶”状的层状断裂并有穿晶发展。,13,5）、应力腐蚀裂纹：,金属材料在某些特定介质和拉应力共同作用下所产生的延迟破裂现象，称应力腐蚀裂纹。,14,三、热裂纹与冷裂纹的基本特点,本节结束,15,5-2焊接热裂纹,一、结晶裂纹1、产生机理1）产生部位：结晶裂纹大部分都沿焊缝树枝状结晶的交界处发生和发展的，常见沿焊缝中心长度方向开裂即纵向裂纹，有时焊缝内部两个树枝状晶体之间。对于低碳钢、奥氏体不锈钢、铝合金、结晶裂纹主要发生在焊缝上某些高强钢，含杂质较多的钢种，除发生在焊缝之处，还出现在近缝区上。,16,结晶裂纹,17,2）、熔池各阶段产生结晶裂纹的倾向,在焊缝金属凝固结晶的后期，低熔点共晶物被排挤在晶界，形成一种所谓的“液态薄膜”，在焊接拉应力作用下，就可能在这薄弱地带开裂，产生结晶裂纹。产生结晶裂纹原因：液态薄膜拉伸应力液态薄膜根本原因拉伸应力必要条件,18,固液阶段：这一区也称为“脆性温度区”即图上a、b之间的温度范围,固相阶段：也叫完全凝固阶段,以低碳钢焊接为例可把熔池的结晶分为以下三个阶段,液固阶段：（1区）,Tb称为脆性温度区，在比区间易产生结晶裂纹，杂质较少的金属,Tb小产生裂纹的可能性也小，杂质多的金属Tb大，产生裂纹的倾向也大,19,3）产生结晶裂纹的条件,如图纵座标表示温度，横坐标表示由拉伸应力所产生的变形（e）和金属的塑性（P），脆性温度区的范围用Tb表示上限是固液温度开始下限固相线附近，或低于固相线一段温度。,在脆性温度区内焊缝的塑性用P表示,是温度的函数，,当在某一瞬时温度时有一个最小的塑性值（Pmin)（出现液态薄膜时）受拉伸应力所产生的变形用e表示，也是温度的函数.,20,按曲线（3）变化时，e超过了焊缝塑性的最低值，产生裂纹,如果拉伸应力所产生的变形随温度T按曲线（1）变化，e随T按曲线（1）变化。产生了e变形量，但焊缝仍有es的塑性储备量即es0，不产生热裂纹,当按曲线2变化时,此时由拉伸应力所产生的应变,恰好等于焊缝的最低塑性值,即处于临界状态.,21,在脆性温度区焊缝所承受的拉伸应力所产生的变形大于焊缝金属所具有的塑性时产生裂纹即,高温阶段晶间塑性变形能力不足以承受当时所发生塑性应变量。,产生裂纹的条件,22,脆性温度区（TB）内金属的塑性，TB内金属的塑性越小，越易产生结晶裂纹。,结论：,脆性温度区间大小,TB大，拉应力作用时间长，产生裂纹可能性大，决定于焊缝化学成分，杂质性质与分布，晶粒大小。,TB内随温度降低变形的增长率（拉伸应力的增长率）,临应变率CST越大,则表示材料的热裂纹敏感性越小,越不易产生裂纹。,23,二、焊接结晶裂纹的影响因素,1）、冶金因素结晶温度区间：合金状态图脆性温度区的大小随着该合金的整个结晶温度区间的增加而增加,如图S点、结晶区间最大、裂纹倾向最大、共晶点、裂纹倾向最小。实践平衡条件下，虚线不平衡结晶。,24,合金元素a)、S、P增加结晶裂纹倾向,i)S、P增加结晶温度区间,脆性温度区间TB裂纹,ii)S、P产生低温共晶,使结晶过程中极易形成液态薄膜,因而显著增大裂纹倾向,iii)P、S引起成分偏析.实验可知P、S偏析系数K越大,偏析的程度越严重.偏析可能在钢的局部地方形成低熔点共晶产生裂纹。,25,b)、Ci)、C0.16%Mn/S无效,加剧P有害作用裂iii)、C0.51%初生相初生相S、P在小相中溶解度低，析出S、P集富在晶界上，裂纹,Mn具有脱S作用其中Mn熔点高，早期结晶星球状分布，抗裂,含碳量C0.016%P对形成结晶裂纹的作用超过了S，Mn无意义,c)、Mn,注意：,26,d)、Si硅是相形成元素，利于消除结晶裂纹,相中S、P溶解度大缘故，Si0.4%易形成低熔点的硅酸盐夹杂使裂,对硫的亲合力大，形成高熔点的硫化物，消除结晶裂纹有良好的作用。,e)、钛Ti锆（4）和稀土元素,27,f)、O,O降低S的有害作用，氧、硫、铁能形成Fe-FeS-FeO三元共晶，使FeS由薄膜变成球状，裂,日本JWS临界应变增长率CST,CST=(-19.2C-97.2S-0.8Cu-1.0Ni+3.9Mn+65.7Nb-618.5B+7.0)*10-4,当时，可以防止裂纹,热裂敏感系数HCS公式,当HCS时，发生断裂晶间断裂,T=,称金属的等强温度,若焊缝所受拉伸应力为随温度变化始终不超过，则不会产生结晶裂纹产生结晶裂纹,产生结晶裂纹的条件是冶金因素和力共同作用，二者缺一不可,33,三、防止结晶裂纹的措施,1）、冶金方面控制焊缝中有害杂质的含量，限制S、P、C含量S、Pec产生裂纹e产生裂纹的晶界微观局部的实际塑性变形量ec：产生裂纹的晶界微观局部的最大塑性形变能力e实际塑性应变：接头的残余应力经再加热产生应力松驰而引起，与接头的拘束度残余应力，应力集中有关。,69,2、再热裂纹产生机理,1）、晶界杂质析集弱化说晶界析集P、S、硼化物沿晶析集如果产生再热裂纹的塑性变形量为ec，可以下式表示:,70,2）、二次沉淀理论晶内沉淀强化,具有沉淀强化的元素焊接高温时过a热区合金元素全部溶入A中，A长大.焊后冷却速度快，合金元素以过饱和形式溶入在F中，渗碳体，一般出现在位错、空位、缺陷等处。,焊后再加热时（500-700）,71,3）、高温蠕变理论,蠕变定义：金属在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变。,特征：材料内的应力小于材料的屈服应力与温度有关T蠕变速度温度升高持久强度下降高温下，晶界强度低于晶内强度,72,1.楔形开裂,73,低合金钢产生再热裂纹临界应力关系式,74,75,三、影响因素,1.化学成分对再热裂纹的影响2晶粒度对再热裂纹的影响3焊接接头不同部位和不同组织对再热裂纹的影响,(一)、冶金因素,76,(二)工艺措施,1、预热及后热预热裂200450，后热可降低预热温度2、线能量的作用E适当增加，减少过热区硬度，裂纹减小3、低强焊缝应用减少近缝区塑变的集中程度，有利于降低再热裂纹产生倾向4、降低残余应力和避免应力集中,本节结束,77,5-5层状撕裂,1、产生的部位和形状宏观形状：在外观上具有阶梯状的形式，由基本上平行于轧制方向表面的平台与大体上垂直于平台的剪切壁所组成。微观形状：扫描电镜观察低倍下：断口表面呈典型的木纹状，是层层平台在不同高度分布的结果部位：母材或热影响区,一、特征及危害性,78,2、产生在厚板结构中,十字接头,丁字接头,角接头，平台局部地区有硅酸盐或氧化物夹杂物,79,种类依产生部位分:第一类是在焊接热影响区焊趾或焊根冷裂纹诱发而形成层状措裂；第二类热影响区沿夹杂开裂；第三类远离热影响区母材中沿夹杂开裂MnS片状夹杂较多。,80,二、形成机理及影响因素,(一)、层状撕裂的形成过程,1、厚板结构中焊接时刚性拘束条件下，产生较大的Z向应力和应变，当应变达到超过材料的形变能力之后，夹杂物与金属基体之间弱结合面发生脱离，形成显微裂纹，裂纹尖端的缺口效应造成应力、应变的集中，迫使裂纹沿自身所处的平面扩展，把同一平面而相邻的一群夹杂物连成一平，形成所谓的“平面”。,81,2、与此同时相邻近的两个平台之间的裂纹尖端处，在应力应变影响下在剪切应力作用下发生剪切断裂，形成“剪切壁“，这些平台和剪切壁在一起，构成层状撕裂所持有的阶梯形状。,82,(二)、影响因素,1、非金属夹杂物的种类2、焊接Z向应力3、母材性能热影响区产生淬硬组织、塑性下降;加热150350出现应变时效，塑性、韧性下降4、氢的作用氢集聚发生在夹杂物和基体界面上的氢脆引起层状撕裂,83,四、防止措施,(一)选择母材1精炼钢2、控制夹杂物冶炼降低杂质，脱S加Ti、Zr或稀土元素，促使夹杂物破碎、球化(成本高)(二)设计和工艺措施,1、改变接头形式、降低焊接应力2、应尽量避免单侧焊缝等;3、应尽量避免承载焊缝4、预热及后热5、加软焊道,84,接头形式在受力最小时即可防止层状撕裂，通过开坡口来减轻钢板Z向受承受的应力和应变。,本节结束,85,5-6应力腐蚀撕裂(SCC),应力腐蚀裂纹：金属材料在某些特定介质和拉应力共同作用下所产生的延迟破裂现象称应力腐蚀裂纹。,应力腐蚀裂纹已成为工业中特点是石油工业中最突出的问题，日本19651975十年间化工设备破坏事故统计有50%属于应力腐蚀开裂，应力腐蚀裂纹造成危害极大。,86,一、应力腐蚀裂纹特征,1、形貌：外观：无明显的均匀腐蚀痕迹，呈龟裂形式断断续续。从横断面来看：犹如枯干的树木的根须，由表面向纵深方向往里发展，裂口深宽比大，细长而带有分支是其典型的特点。从断口来看：仍保持金属光泽为典型脆性断口,87,应力腐蚀裂纹,88,2、材质与介质的匹配,纯金属不产生应力腐蚀裂纹，凡是合金即使含有微量元素的合金，在特定的腐蚀环境中都有一定的应力腐蚀开裂倾向。但并不是说，任何合金在任何介质中都产生应力腐蚀开裂，一定的材料只在某一定的腐蚀环境中才产生应力腐蚀裂纹。,应力腐蚀开裂温度:易产生在100300之间,89,3、应力腐蚀开裂的临界应力,拉应力的存在是产生应力腐蚀开裂的先决条件之一，造成应力腐蚀开裂的应力主要是残余应力。,临界应力引起应力腐蚀裂纹开裂的临界应力，与腐蚀介质，金属材料的强度级别有关。,90,二、应力腐蚀裂纹的形成条件形成机理,（一）、电化学应力裂机理从电化学考虑，把应力腐蚀裂纹分为两大类一类为应力阳极溶解开裂简记APC另一类应力阴极氢脆开裂简记HEC,形成三要素：1）材质2)腐蚀介质3)临界拉应力,91,HEC和APC应力腐蚀过程,92,（二）、机械破裂应力腐蚀开裂机理,1）、孕育期应力作用下将产生不同程度的塑性变形，这种塑性变形将会产生“滑移台阶”，形成局部性的最初腐蚀裂口，造成拉应力集中，局部产生滑移阶梯、导致保护膜破坏。,93,94,95,2）、发展阶段,腐蚀裂口在拉应力与介质的共同作用下（物理作用及化学作用）沿着垂直拉应方向纵深发展，呈枯干树枝或根须，且逐步出现分支，若应力因素占优势，将是某一裂口优先发展，腐蚀因素占优势则可能同时几条裂口平行地发展,3）、溃裂阶段发展的最快的裂纹的最终崩溃性的发展，是拉应力局部越来越大的累积结果，最终破坏是力的因素起主要作用。,96,裂纹扩展的几种说法,阳极相的沉淀腐蚀介质的吸附阴极氢化反应机械化学效应隧洞腐蚀,97,三、应力腐蚀的预防措施,（一）、结构设计1、合理选材母材选材必须有足够的实验数据，不能只看材料牌号，不能单纯考虑强度级别，因同一强度等级，合金系统不同，抗应力腐蚀开裂的倾向很大。2、避免高应力区,98,（二）、施工制造,1、合理选择焊材了解产品结构的的工作条件，熟悉介质的腐蚀特性，及合金元素的特性，则确定焊缝成分从而确定焊接材料。因此必须根据具体腐蚀介质，调整焊缝的合金系统，以便提高耐应力腐蚀开裂的能力。,99,1、合理制定装焊工艺,1）、成形及装配工艺,引起应力腐蚀裂纹的重要原因之一就是残余应力，从部件成形加工列组装都可引起残余应，特别是强制组装，例如用千斤组装大错口，可以形成很大的残余应力，在组装质量不良的条件下（错口）焊接时，会造成较大的残余应力。组装时所造成伤痕如随意打弧的灼痕等都会成应力腐蚀裂源。,100,2)、焊接工艺,基本点，不产生硬化组织，不发生晶粒严重粗化现象,接头硬度粗晶区的应力腐蚀裂纹的扩展敏感性最大，主要是由于晶粒粗大，以致裂纹尖端集中的位错数量增大，并可形成大的滑移阶梯，从而利于应力腐蚀裂纹的形成和扩展。,101,消除应力处理,焊后消除应力处理是防止产生应力腐蚀裂纹的重要环节。例氢化脱硫装置的硫化物应力腐蚀开裂试验，钢种弯曲成形加工后的热处理温度,温度350400450500550650850,1Cr18Ni8xxxxxooo1Cr18Ni9TiXxoooooo其中x裂纹，o无裂纹,102,1.整体消除应力处理,消除应力的程度可用下式估算,P=T（lgt+20)*10-3,P消除应力效果参数T热力学温度t保温时间,103,（三）、生产管理,1、防蚀处理介质隔离、涂层、衬里介质处理、加缓蚀剂等电化防蚀、阴极化或阳极化、表面技术处理2、定时检查及分析定期检查、及时补修,本节结束,104,5-7焊接裂纹综合分析和判断,一、宏观分析及判断（一）被焊材质和焊接材料的化学成分（二）根据施工中的焊接工艺（三）产品结构的运行工况条件,105,二、微观分析及判断,106,三、断口分析及判断,断裂形式,穿晶断裂,沿晶断裂,韧性断裂,韧窝断裂,滑移断裂,脆性断裂,疲劳断裂疲劳纹,解理断裂,准解理断裂,塑性断裂,脆性断裂,疲劳断裂疲劳花纹,等轴韧窝,剪切韧窝,撕裂韧窝,蛇形滑移,波形滑移,平直滑移,107,(一)焊接裂纹的断裂形式及断口形态,2、解