焊接冶金学基本原理-第5章 焊接裂纹

内容,5.1焊接裂纹概述5.2焊接热裂纹5.3焊接冷裂纹,第5章 焊接裂纹,5.1.1 焊接裂纹的危害性5.1.2 焊接裂纹的分类与一般特征1.热裂纹2.冷裂纹3.再热裂纹4.层状撕裂5.应力腐蚀裂纹,5.1 焊接裂纹概述,5.1.1 焊接裂纹的危害性,焊接裂纹定义：在焊接应力及其他致脆因素共同作用下，材料的原子结合遭到破坏，形成新界面而产生的缝隙称为。 焊接裂纹引起脆性断裂焊接裂纹分析是对焊接 冶金学知识综合检验,5.1.2 焊接裂纹的分类及一般特征,分类（1）按裂纹分布的走向分 横向裂纹 纵向裂纹 星形（弧形裂纹）（2） 按裂纹发生部位分 焊缝金属中裂纹 热影响区中裂纹 焊缝热影响区贯穿裂纹 弧坑（火口）裂纹 表面裂纹、内部裂纹等等,5.1.2 焊接裂纹的分类及一般特征,（3）、按产生本质（产生条件）分类分为5大类:焊接热裂纹（结晶裂纹、高温液化裂纹、多边化裂纹）焊接冷裂纹（延迟裂纹、淬硬脆化裂纹、低塑性脆化裂纹）再热裂纹层状撕裂应力腐蚀裂纹,5.1.2 焊接裂纹的分类及一般特征,1、热裂纹产生时期：在焊接过程中焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区时产生的裂纹。裂纹走向：裂纹起源与扩展均是沿晶粒边界产生部位：焊缝为主，及热影响区近缝区分类：,结晶裂纹,高温液化裂纹,多边化裂纹,5.1.2 焊接裂纹的分类及一般特征,结晶裂纹：在凝固的过程-结晶过程中产生，残余液体金属不足而不能及时填充、在应力作用下沿晶开裂。典型特征：氧化色彩高温液化裂纹：在高温下产生,近缝区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。,HAZ液化裂纹,结晶裂纹,多边化裂纹,5.1.2 焊接裂纹的分类及一般特征,5.1.2 焊接裂纹的分类及一般特征,2、冷裂纹产生温度：焊后较低温（Ms点附近） 产生部位: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。裂纹走向：晶间断裂，但也可穿晶（晶内）断裂，也可晶间和穿晶混合断裂。分类,延迟（氢致）裂纹,淬硬脆化裂纹（淬火裂纹）,低塑性脆化裂纹,延迟裂纹：特点不在焊后立即出现，有一段孕育期（扩散氢扩散）产生迟滞现象称延迟裂纹，与淬硬组织、拘束应力、氢有关。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），焊后立即出现。 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，无延迟。,5.1.2 焊接裂纹的分类及一般特征,延迟裂纹,5.1.2 焊接裂纹的分类及一般特征,3、再热裂纹（消除应力处理裂纹） 温度：(敏感温度如600-700）由于重新加热（热处理或高温服役）过程中产生又称消除应力处理裂纹。特征：晶界杂质或析出相位置：一般HAZ粗晶区。走向：沿晶,5.1.2 焊接裂纹的分类及一般特征,4、层状撕裂 温度：如400以下低温特征：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”状的层状断裂走向：穿晶或沿晶位置：热影响区附近,5.1.2 焊接裂纹的分类及一般特征,5、应力腐蚀裂纹特征： 特定介质和拉应力共同作用下所产生的延迟破裂现象。如枯树状，由表面向纵深发展，裂口的深宽比达到几十至100以上，细长而又尖锐，分支明显温度：任何温度位置：焊缝及HAZ走向：沿晶或穿晶,5.1.2 焊接裂纹的分类及一般特征,5.1.2 焊接裂纹的分类及一般特征,5.2 焊接热裂纹,5.2.1 结晶裂纹的形成机理1.产生部位2.产生过程3.产生条件5.2.2 影响结晶裂纹的因素1.冶金因素（液态薄膜）2.应力因素（拉伸应力）5.2.3 防治结晶裂纹的措施1.冶金方面2.工艺方面（减少应力）,一般特征WM，HAZ冷却到固相线附近的高温区时所产生 沿晶断裂，高温氧化色彩断裂的条件：在高温阶段晶间延性或塑性变形能力min不足以承受凝固过程或高温时冷却过程积累的应变量占，即,焊接热裂纹概述,高温阶段金属两个脆性温度区间 与两大类热裂纹 与液膜有关的热裂纹，固相线TS附近 结晶裂纹，高温液化裂纹 与液膜无关的热裂纹，位于奥氏体再结晶温度TR附近。 高温失延裂纹，多边化裂纹,焊接热裂纹概述,1、产生部位沿焊缝树枝状结晶的交界处发生和发展，沿焊缝中心纵向或晶间开裂,5.2.1 结晶裂纹形成机理,沿焊缝中心的纵向裂纹,焊缝中沿树枝晶界裂纹,结晶裂纹,5.2.1 结晶裂纹形成机理,2、结晶裂纹的产生过程,（1）过程：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。 （2）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,5.2.1 结晶裂纹形成机理,1、结晶温度：FeS 1190；Fe3P 1166；2、低熔点共晶温度：FeSFe 980；Fe3PFe 1050；NiS2Ni 645；Ni3PNi 880；3、钢的结晶温度约1350 ,2、结晶裂纹的产生过程（续） （3）位置：柱状晶交遇的中心部位 柱状晶间隙 弧坑（火口）,5.2.1 结晶裂纹形成机理,2、结晶裂纹的产生过程（续）,5.2.1 结晶裂纹形成机理,固液阶段：有裂纹,固相阶段：无裂纹,（4）结晶过程裂纹倾向分析 结晶的三个阶段,液固阶段：无裂纹,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,5.2.1 结晶裂纹形成机理,3 .产生结晶裂纹的条件,e随T按曲线1变化:p min-e=es 0，即焊缝仍有es的塑性储备量，不产生热裂纹,e随T按曲线2变化: e=pmin,即处于临界状态.临界应变增长速率CST,e随T按曲线3变化:p min-e=es S、P在中溶解度低，析出S、P集富在晶界上，裂纹c)、Mn Mn具有脱S作用。抗裂 d)、Si 硅是相形成元素，利于消除结晶裂纹 , Si0.4% 易形成低熔点的硅酸盐夹杂使裂（3）凝固结晶组织形态对结晶裂纹的影响晶粒粗大裂纹的倾向,5.2.2 结晶裂纹的影响因素,2、应力因素产生结晶裂纹的充分条件1：焊接时脆性温度区内金属的塑性p要小于脆性温度区间内金属所承受的拉伸应变e，即pe.产生结晶裂纹的充分条件2：在焊接时脆性温度区内金属的强度m要小于在脆性温度区内金属所承受的拉伸应力,即m。 m取决于晶内强度G，晶界强度0,应力因素例：高焊接速度，冷却快，应变增长速度快，裂纹倾向增大，另外熔池成泪滴状，柱状晶垂直生长，更易裂纹。,5.2 焊接热裂纹,5.2.2 结晶裂纹的影响因素,金属强度随温度的变化,5.2.3 防止措施,1、冶金方面（1）控制P S C（2）改善结晶（3）愈合作用 2、工艺方面（减少应力）（1）焊接工艺 预热，高线能量，减低应变率（2）接头形式（3）焊接次序,5.3焊接冷裂纹,5.3.1 焊接冷裂条件与特征1.冷裂条件2.冷裂纹特征5.3.2 延迟裂纹的机理5.3.3 影响延迟裂纹的三个因素1.材料的淬硬倾向2.氢的作用3. 接头的应力状态5.3.4 焊接冷裂纹的控制,5.3.1 焊接冷裂条件与特征,1、冷裂条件 冷裂纹的提法是相对热裂纹而言，一般指在低温出现的裂纹。冷裂纹的产生，同热裂纹一样，也应符合下列条件：,即接头局部位置的延性min不足以承受所发生的应变的作用。与接头的拘束应力有关。min则取决于焊接冷却过程中的致脆因素，淬硬组织的存在和氢脆的作用。这两种致脆因素的有效作用温度区间正是在室温附近，通常在Ms以下。故称为“冷裂纹”。,5.3.1 焊接冷裂条件与特征,2冷裂纹特征 （1）分布形态 冷裂纹多发生在具有缺口效应的焊接热影响区或有物理化学不均匀性的氢聚集的局部地带。,5.3.1 焊接冷裂条件与特征,2冷裂纹特征（续） (2) 冷裂时期 延迟裂纹生成温度约在100-100之间。有潜伏期(孕育期)，几小时、几天甚至更长，存在潜伏期、缓慢扩展期和突然断裂期三个接续的开裂过程。现公认有潜伏期的冷裂纹是由于氢作用而具有延迟开裂特性，故称又称为“氢致裂纹”。淬硬倾向大的钢焊接时产生的冷裂纹常常是没有潜伏期，即不具有延迟开裂特性，只要低于一定温度就会见到冷裂纹。如果说氢促使开裂具有延迟特性，则无潜伏期开裂应该认为氢未发生影响。所以，这类冷裂纹称“淬硬裂纹”，主要与淬硬组织的存在有联系。铸铁或硬质合金等脆性村料焊接时，很易产生冷裂纹，而且均不会有潜伏期，主要是本身延性太低，在热应力作用导致开裂，与氢的作用无关。这类裂纹可称为“低塑性裂纹”。,5.3.1 焊接冷裂条件与特征,2冷裂纹特征（续） （3）断口特征 从宏观上看，断口具有发亮的金属光泽的脆性断裂特征，未有氧化色彩。从微观上看，也不像热裂纹那样单纯只是晶间断裂特征，而常可见沿晶与穿晶断口共存。,5.3.2 延迟裂纹机理,裂纹的延迟出现还与温度有密切关系。钢中的延迟破坏只是在一定的温度区间发生(-100+100)，温度太高则氢易逸出，温度太低则氢的扩散受到抑制，因此都不会产生延迟现象的断裂。,5.3.3 影响延迟裂纹的三个因素及判据,结合焊接的具体情况，Granjon提出延迟裂纹的形成是焊接接头含氢量、焊接接头金属中所承受的拉应力及钢材淬硬倾向造成的金属塑性储备下降三个因素交互作用的结果 1材料的淬硬倾向 影响材料的淬硬倾向主要决定于材料的化学成分、所采用的焊接工艺和冷却条件以及板厚等因素。（1）淬火形成脆硬的马氏体组织（2）淬硬形成更多的晶格缺陷 判据：Hmax，CE等。,5.3.3 影响延迟裂纹的三个因素及判据,2氢的作用 扩散氢对冷裂的产生和扩展起了决定性的作用, “残余扩散氢” ,判据，临界扩散氢含量HCR。,5.3.3 影响延迟裂纹的三个因素及判据,3接头的应力状态。（焊接条件下主要存在三种应力） 不均匀加热及冷却过程中所产生的热应力、金属相变时产生的组织应力和结构自身拘束条件所造成的结构应力。 以上焊接接头所承受的三种应力，都是钢结构焊接时不可避免的。由于应力都是在结构受到某种拘束作用时产生的，因