第五章_焊接裂纹.ppt

第五章焊接裂纹,焊接裂纹的分类、特征各类裂纹的产生机理、影响因素各类裂纹防止的措施重点：结晶裂纹H致延迟裂纹,第一节概述,随着技术的发展，焊接结构趋向大型化、大容量和高参数的方向发展；在低温、深冷、腐蚀介质等环境下工作。高强钢种和合金材料应用，给焊接生产上带来了许多新问题。其中普遍而又十分严重的就是焊接裂纹。一、焊接裂纹的危害性1脆性断裂减小有效承载面积，形成应力集中。2隐蔽性潜在危险3产生机理的复杂性难以预防4主要断裂事故给生产带来许多困难，且可能带来灾难性事故。桥梁断裂30年代比利时断裂的桥梁美国断裂自由轮40年代。压力容器,液化天然气贮罐发生连锁式爆炸;煤气球罐发生爆炸。,二、焊接裂纹分类及其一般特征,裂纹的形态和分布:有焊缝的表面裂纹、内部裂纹；有HAZ的横向、纵向裂纹，有焊缝和焊道下的深埋裂纹，弧坑(火口)裂纹。裂纹有时出现在焊接过程中，也有时出现在放置或运行过程中，即所谓延迟裂纹。焊接生产中所遇到裂纹,按产生裂纹本质来分，大体上可分为五大类：,图5-4焊接裂纹的宏观形态及其分布a）纵向裂纹b)横向裂纹c）星型裂纹1-焊缝纵向裂纹2-焊缝横向裂纹3-熔合区裂纹4-焊缝根部裂纹5-HAZ根部裂纹6-焊趾纵向裂纹（延迟裂纹)7-焊趾纵向裂纹（液化裂纹、热裂纹)8-焊道下裂纹(延迟裂纹、液化裂纹、多边化裂纹)9-层状撕裂l0弧坑裂纹,(一)热裂纹,热裂纹是在焊接时高温下产生的，故称热裂纹。沿原奥氏体晶界开裂。1结晶裂纹发生裂纹的焊缝断面上，可以看到有氧化的彩色。2高温液化裂纹近缝区或多层焊的层间部位。热循环作用下，被焊金属含有较多的低熔共晶而被重新熔化，在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶界发生开裂。3多边化裂纹刚凝固的金属中存在很多晶格缺陷，晶格缺陷的迁移和聚集，便形成了二次边界，即“多边化边界”。边界上堆积了大量的晶格缺陷，组织性能脆弱，高温时的强度和塑性都很差，只要有拉伸应力，就会沿多边化的边界开裂，产生“多边化裂纹”。,结晶裂纹,液化裂纹,多边化裂纹,厚板焊接结构，采用含有沉淀强化合金元素的钢材，在进行消除应力热处理或在一定温度下服役的过程中，在焊接热影响区粗晶部位发生的裂纹称为再热裂纹，又称“消除应力处理裂纹”，简称SR裂纹。,再热裂纹多发生在低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢和某些镍基合金的焊接热影响区粗晶部位。敏感温度约在550650。沿晶开裂的特征，但在本质上与结晶裂纹不同。,(二)再热裂纹,(三)冷裂纹,1延迟裂纹焊后不立即出现，有一定孕育期，具有延迟现象。,冷裂纹(ColdCracking)是焊后冷至较低温度下产生的。,2淬硬脆化裂纹淬硬倾向很大的钢种，在拘束应力的作用下导致开裂。没有延迟现象，焊后可以立即发现。,3低塑性脆化裂纹塑性较低材料，冷至低温，由收缩力而引起的应变超过材质本身所具有的塑性储备或材质变脆而产生的裂纹。,淬硬脆化裂纹,延迟裂纹,(四)层状撕裂,建造大型采油平台和厚壁压力容器过程中，出现平行于轧制方向阶梯形裂纹，即所谓层状撕裂。产生层状撕裂的主要原因是轧制钢材的内部存在不同程度的分层夹杂物，焊接时产生的垂直于轧制方向的应力，致使热影响区附近或稍近的地方，产生呈“台阶”形的层状开裂，并可穿晶扩展。层状撕裂易发生在厚壁结构的T型接头、十字接头和角接头。,(五)应力腐蚀裂纹,在腐蚀介质和拉伸应力的共同作用下产生一种延迟破坏的现象，简称SCC裂纹。SCC裂纹的形态如同枯干的树枝，从表面向深处发展。SCC裂纹断口为典型脆性断口。,表5-1各种裂纹分类表,第二节焊接热裂纹,热裂纹是焊接生产中比较常见的一种缺陷，从一般常用的低碳钢、低合金钢到奥氏体不锈钢、铝合金和镍基合金等都有产生热裂纹的可能。热裂纹主要是结晶裂纹、液化裂纹相多边化裂纹三种。焊接生产过程中所遇到的热裂纹，主要是结晶裂纹。,一、结晶裂纹的形成机理,结晶裂纹产生位置：沿焊缝中心纵向开裂两个树枝状晶体之间弧坑裂纹,焊缝结晶裂纹,焊缝中心纵向裂纹,焊缝沿树枝晶界结晶裂纹,1结晶裂纹产生原因（1）溶池凝固过程中，先结晶的金属较纯，后结晶的金属含溶质和杂质较多，溶质和杂质富集在晶界（K0=CS/CLo,故不会产生热裂纹。(2)按曲线2变化时，拉伸应力所产生的应变，恰好等于焊缝的最低塑性值pmin，故es=0，即处于临界状态。(3)按曲线3变化时，拉伸应力所产生应变已超过焊缝金属在脆性温度区内所具有的最低塑性(pmin)，es0，此时必将产生裂纹。,产生结晶裂纹的条件是：焊缝在脆性温度区内所承受的拉伸应变大于焊缝金属所具有塑性，或者说焊缝金属在脆性温度区内的塑性储备量(es)小于零时就会产生结晶裂纹。,结晶裂纹主要决定于以下三个方面：ATB的大小TB越大，焊缝收缩产生拉伸应力的作用时间也越长，产生的应变量也越大，故产生结晶裂纹的倾向也就越大。BTB内金属的塑性在TB内焊缝金属的塑性P越小，就越容易产生结晶裂纹。CTB内的应变增长率在TB内，随温度下降，由于收缩产生的拉伸应力增大，因而应变的增长率也将增大，容易产生结晶裂纹。,二、结晶裂纹的影响因素,冶金因素和力的因素(一)冶金因素对产生结晶裂纹影响1合金状态图和结晶温度区间随合金元素的增加，结晶温度区间增大，TB增大，结晶裂纹的倾向增加。S点，结晶温度区间最大，TB最大，裂纹的倾向也是最大。当合金元素进一步增加时，结晶区间和TB反而减小，裂纹倾向降低。焊接条件下为非平衡结晶，最大固溶由S点移至S，裂纹倾向的变化曲线也随之左移。,结晶温度区间与裂纹倾向的关系,合金状态图与结晶裂纹倾向的关系,结晶温度区间越大，裂纹倾向越大。,2合金元素对产生结晶裂纹的影响(1)硫和磷使结晶温度区间增加，易形成液态薄膜，增加结晶裂纹倾向。S、P是极易偏析的元素，对各种裂纹都敏感。焊接材料严格控制硫、磷，S，0，液相难以进入晶界毛细间隙内，不易成膜，裂纹倾向小。加入第三元素改变有害杂质的分布形态也是防止凝固裂纹的一种有效措施。,(二)力学因素对产生结晶裂纹影响产生结晶裂纹的充分条件是必须要有力的作用。金属强度m决定于晶内强度G和晶间强度0，随温度升高而降低，0下降较快。当温度达到T0时，G=0，所以T0称为等强温度。TT0时，G0，若发生断裂必然是晶间断裂。,金属强度随温度的变化和拉伸应力关系,(1)若焊缝承受拉应力为2，20，就会产生裂纹。这就是产生结晶裂纹的充分条件。,三、防治结晶裂纹的措施,(一)冶金因素方面1控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量S、P0.030.04，CLc，由加载到发生裂纹之前要经一段潜伏期，然后是裂纹扩展，最后发生断裂，即延迟断裂。,氢的应力扩散理论金属内部的缺陷为潜在裂源，在应力的作用下，形成了三向应力区，诱使氢向该处扩散、聚集。当氢浓度达到一定程度时，一方面产生较大的应力，另一方而阻碍位错移动而使该处变脆。试样受力时，氢易向三向应力区扩散，应力也随之提高，当此部位氢的浓度达到临界值时，就会发生启裂和裂纹扩展。氢又不断向新的三向应力区扩散，达到临界浓度时又发生了新的裂纹扩展。这种过程可周而复始断续进行，直至形成宏观裂纹。,(三)焊接接头的应力状态,1热应力（不均匀加热及冷却）母材和填充金属的热物理性质有关；结构的刚度有关；低碳钢，残余应力可达的1.2倍2组织应力（相变产生）高强钢AF，P、M，体积膨账，而且转变后的组织都具有较小的膨胀系数。表5-7,P2483结构自身拘束条件所造成的应力结构的刚度、焊缝位置、焊接顺序、构件的自重、负载情况，以及其他受热部位冷却过程中的收缩等。三种应力的综合作用统称为拘束应力。“内拘束应力”(即热应力和相变应力)“外拘束应力”(结构刚度、焊接顺序、受载情况等造成的应力)。,拘束应力大小决定于受拘束的程度，可以采用拘束度R来表示。R：单位长度焊缝，根部间隙产生单位长度弹性位移所需要力。对接接头，两端不固定，焊后产生S的热收缩(应变量)。两端固定时，接头的伸长量等于S，Sw+bhw时，w0，忽略焊缝影响，S=b,L，则R。临界拘束度Rcr当R值大到一定程度时就产生裂纹，这时R值称为临界拘束度。焊接结构接头的临界拘束度Rcr值越大，接头的抗裂性越强。,拘束度与拘束应力关系：=mR同样钢种和同样板厚，接头的坡口型式不同，产生不同的拘束应力。当拘束度R=20000N/(mmmm)时，拘束应力按下列顺序增加；正Y形、X形、斜Y形、K形、半V形。临界拘束应力cr：当焊接时产生的拘束应力不断增大，直至开始产生裂纹时，此时的应力称为临界拘束应力cr。它反映了产生延迟裂纹各个因素共同作用的结果。cr值作为评定冷裂敏感性判据。cr几个计算公示：P250-251R不产生裂纹；Rcrec(一)晶界杂质析集弱化作用杂质在晶界析集而造成脆化，对产生再热裂纹具有重要的作用。钢中P、S、Sb、Sn、As等元素，在500600再热处理过程中向晶界析集，降低晶界的塑性变形能力。产生裂纹临界塑性变形量：,当ec值越小时，再热裂纹的敏感性越大。Sb、S、P、As和Sn等杂质含量增多，产生再热裂纹的塑性变形量显著减少，尤其是Sb影响。,(二)晶内沉淀强化作用Cr,Mo,V,Nb等元素的碳、氮化物，镍基合金中的沉淀相(相,Ni3(Al,Ti)，在一次焊接热作用下因受热而固溶(高于1100)，在焊后冷却时不能充分析出，而在二次加热再热处理过程中，由晶内析出碳、氮化物及沉淀相，从而晶内强化，这时，应力松弛所产生的变形就集中于晶界，当晶界的塑性不足时，就会产生再热裂纹。(三)蠕变断裂理论再热温度条件下蠕变断裂机制可有两种模型：1应力集中产生的“楔型开裂”蠕变条件下，发生应力松弛的三晶粒交界处产生应力集中，当此应力超过晶界的结合力时就会在此处产生裂纹。裂纹开裂和扩展所需的应力：,晶界有杂质存在，s、p相p有不同程度的降低，因而c和p也会降低，易于发生再热裂纹。,2空位聚集而产生的“空位开裂”点阵空位在应力和温度的作用下，能够发生运动，当空位聚集到与应力方向垂直的晶界上达到足够的数目时，晶界的结合面就会遭到破坏，在应力继续作用下，使之扩大而成为裂纹。,空位聚集开裂之前先形成空穴，空穴形核所得空位浓度与应力有关。形成稳定空穴所需的最小能量如下：,金属再热处理过程中就可以获得足够的能量，当金属发生蠕变时，通过空位的运动、聚集而形成空穴，逐渐长大成为裂纹。另一方面如有杂质沿晶分布，也可作为空穴的发源地。,三、再热裂纹的影响因素及其防治,影响再热裂纹的主要因素是钢种的化学成分(直接影响粗晶区的塑性)和焊接区的残余应力(特别是应力集中部位)。(一)冶金因素1化学成分对再热裂纹的影响随钢种的不同而差异P耐热钢，钢中含Mo量越多，Cr的影响越大。但当达到一定含量时(如Mo=1，Cr=0.5时)，随Cr增多，SR裂纹率反而下降。在此钢中含有V时，SR裂纹率显著增加。Mo相Cu对不同含Cr量的钢再热裂纹的影响如图5-84所示。碳在1Cr-0.5Mo钢中对再热裂纹的影响如图5-85所示。随钢中含钒量增多，碳的影响增大。2钢的晶粒度对再热裂纹影响是明显的高强钢的晶粒度越大，则晶界开裂所需的应力gc越小，也就越容易产生再热裂纹。另外，钢中的杂质(Sb)越多，也会降低晶界开裂所需的应力gc。3焊接接头不同部位和缺口效应对再热裂纹的影响也有不同例如HT80钢，把缺口开在不同位置，经600，2h，试验结果如表5-13所示。,(二)焊接工艺因素,焊接方法、线能量、预热、后热温度，焊接材料匹配问题等。1焊接方法的影响根据结构的形状、板厚及使用上的要求不同，采用的焊接方法不同。这些焊接方法在正常情况下的焊接线能量不同，大的焊接线能量会使过热区的晶粒粗大，其中电渣焊最为严重。因此，对于一些晶粗长大敏感的钢种，埋弧焊时再热裂纹的敏感性比手工电弧焊时为大。但对一些淬硬倾向较大的钢种，手弧焊反而比埋弧焊时的再热裂纹倾向大。2预热及后热的影响预热可以有效地防止冷裂纹，但对防止再热裂纹，必须采用更高的预热温度或配合后热才能有效。但有些钢种(如德国钢BHW38)，即使预热温度再高，也难以消除再热裂纹，必须采用其他方面的措施才能有效(如使用特制的高韧性焊条)。一些常用的低合金钢防止再热裂纹所需的预热及后热参数如表5-14所示。,3选用低匹配的焊接材料适当降低在SR温度区间焊缝金属的强度，提高它的塑性和韧性，对降低再热裂纹的敏感性是有益的。例如，焊接美国A514钢时，采用不同强度级别焊条，再热裂纹率随焊条强度的增高而增大；如图5-88及附表所示。4降低残余应力和避免应力集中残余应力本应在SR处理过程中消除。但对残余应力较大的焊件，在进行SR处理之前就有可能造成粗晶区微裂，在SR处理过程中会加速产生再热裂纹。应力集中对产生再热裂纹是十分明显的。例如，制造BHW38钢锅炉汽包时，由于大口径下降管在高压汽包上采用“内伸式”结构，使接口部位的刚性很大，产生很大的应力集中，从而增加了再热裂纹的敏感性。为了减小该部位的应力集中，把下降管的顶端改为与汽包简体内壁平齐，因而大大降低了再热裂纹的敏感性。此外，焊缝咬边、未焊透及焊缝表面的余高，都会使热影响区的粗晶部位产生应力集中，不同程度地增大了再热裂纹的敏感性。,第五节层状撕裂,大型厚壁结构，在焊接过程中会沿钢板的厚度方向出现较大的拉伸应力，如果钢中有较多的夹杂，那么沿钢板轧制方向出现一种台阶状的裂纹，称为层状撕裂。,一、层状撕裂的特征及其危害性,层状撕裂是一种内部沿轧向的应力开裂，特征是呈阶梯状。层状撕裂由平行于轧向的平台和大体垂直于平台的剪切壁组成。层状撕裂常出现在T形接头、角接头和十字接头。层状撕裂主要与夹杂量及分布形态有关。层状撕裂的形态也并不完全都呈梯形分布，当沿轧制方向有较多的片状MnS时，则层状撕裂多以阶梯状出现；当以硅酸盐夹杂为主时常呈直线状；如以A1203夹杂为主时呈不规则的阶梯状。,层状撕裂产生的位置：(1)HAZ焊趾或焊根处由冷裂纹而诱发形成的层状撕裂；(2)HAZ沿夹杂开裂，是常见层状撕裂；(3)远离HAZ母材中沿夹杂开裂，这种情况多出现在有较多MnS的片状夹杂的厚板结构中。,二、层状撕裂的形成机理及其影响因素,(一)层状撕裂的形成机理厚板结构焊接时，特别是T形和角接接头，在强制拘束的条件下，焊缝收缩时会在母材厚度方向产生很大的拉伸应力和应变，当应变超过母材金属的塑性变形能力时(沿板厚方向)，夹杂物与金属基休之间就会发生分离而产生微裂，在应力的继续作用下，裂纹尖端沿着夹杂所在平面进行扩展，就形成了所谓“平台”。这种平台可能在多处产生，与此同时，在相邻两个平台之间，由于不在一个平面上而发生剪切应力，造成了剪切断裂，形成所谓“剪切壁”。连接这些平台和剪切壁，就构成了层状撕裂所特有的阶梯形态。,(二)影响层状撕裂的因素,1非金属夹杂物的种类、数量和分布形态钢中夹杂物有硫化物、硅酸盐和铝酸盐等。铝酸盐夹杂物成球形分布，对层状撕裂的敏感性稍差，而硫化物和硅酸盐都是呈不规则的条形分布，对层状撕裂的敏感性稍大。夹杂物在钢中分布及含量可用两个物理量来确定：(1)夹杂物的体积比试样中夹杂物的总体积与试样总体积之比；(2)夹杂物的累积长度是指单位面积上夹杂长度的总和。Z向的断面收缩率z是随夹杂物的体积比和累积长度的增加而显著下降。2Z向拘束应力厚壁结构在焊接过程中承受不同程度的Z向拘束应力，同时还有焊后的残余应力及负载，它们是造成层状撕裂的力学条件。在一定焊接条件下，某种钢存在一个Z向临界拘束应力(z)，超过此值便产生层状撕裂。3氢的影响在HAZ附近，由冷裂诱发成为层状撕裂中氢是一个重要的影响因素。但远离HAZ的母材处产生的层状撕裂，焊缝中的氢就不会产生影响，所以氢的影响应根据具体条件而定。,三、层状撕裂的判据,层状撕裂的危害甚为严重，因此需要在施工之前，对钢材层状撕裂的敏感性作出判断。常用的评定方法有Z向拉伸断面收缩率和插销Z向临界应力。前者多用于无氢条件下母材的评定，后者多用于有氢条件下的焊接热影响区评定。(一)Z向拉伸断面收缩率z为判据采用Z向拉伸断面收缩率作为评定层状撕裂的判据。试祥的形状如图5-94所示，当板厚60mm以下时，试样直径为l0mm；当板厚60mm以上时，试祥直径为15mm为宜。为防止层状撕裂，断面收缩率z应不小于15，一般希望z=1520；当z25时，认为抗层状撕裂优异。(二)插销Z向应力为判据钢中化学成分，特别是含硫量对层状撕裂有重要的影响。为此，在大量试验的基础上提出了层状撕裂敏感性评定公式。图5-95是PL与括销试样Z向临界应力(z)cr之间的关系。由图看出，PL与(z)cr，有良好的对应关系。式(5-55)是根据括销试验的结果建立的，所以这种判据只能适于焊接热影响区附近所发生的层状撕裂。另外，此公式仅考虑了硫的作用，而对硅酸盐、铝酸盐等氧化物夹杂的影响井未考虑，因此具有局限性。,四、防止层状撕裂的措施,(一)选用具有抗层状撕裂的钢材工程实践表明，降低钢中夹杂物的含量和控制夹杂物的形态，来提高钢板厚向的塑性是有效的。1精炼钢采用铁水先期脱硫的办法，并用真空脱气(主要是氧和氮)，可以冶炼出含硫只有0.0030.005的超低硫钢，它的断面收缩率(Z向)可达2345。炉外精炼亦可冶炼出高纯净钢，它的办法是向钢液内吹入氮气，促使夹杂物上浮。此外，还有采用粉末状的钙和镁合金化合物与惰性气体一起吹入钢液中，也能获得显著的脱氧脱硫效果。其他还有许多精炼的方法。可以冶炼出含氮含硫极低的钢材(含硫量只有1030ppm)，Z向断面收缩率可达6075。选用这类钢材制造大型重要的焊接结构，可以完全解决层状撕裂问题。2控制硫化物夹杂的形态是把钢中MnS变成其他元素的硫化物，使在热轧时难以伸长，从而减轻各向异性。目前广泛使用的添加元素是钙和稀上元素，经过上述处理的钢，Z向断面收缩率可达5070，足以抗层状撕裂。,(二)设计和工艺上的措施,从防止层状撕裂的角度出发，在设计和施工工艺上主要是避免Z向应力和应力集中，具体措施如下：(1)应尽量避免单侧焊缝，改用双侧焊缝，这样可以缓和焊缝根部的应力状态，并防止应力集中(见图5-96a)。(2)在强度允许的情况下，尽量采用焊接量少的对称角焊缝来代替焊接量大的全焊透焊缝，以避免产生过大的应力(见图5-96b)。(3)应在承受Z向应力的一例开坡口(见图5-96c)。(4)对于T形接头，可在横板上预先堆焊一层低强的熔敷金属，以防止焊根出现裂纹，同时亦可缓和横板的Z向应力(见图5-96d)。(5)为防止由冷裂引起的层状撕裂，应尽量采用一些防止冷裂的措施，如降低氢量、适当提高预热、控制层间温度等。,图5-96改变接头型式防止层状撕裂,表5-15层状撕裂的类型、产生原因及防止措施,第六节应力腐蚀裂纹,一、应力腐蚀裂纹的危害性随着工业的发展，要求焊接结构在腐蚀介质条件下长期稳定工作(主要是一些压力容器和管道等)。然而，焊接结构一般都存在不同程度的残余应力，在腐蚀介质条件下工作极易产生应力腐蚀裂纹。对SCC裂纹所造成的各种失效事故，越来越引起各国的重视，因为它所带来的危害十分严重。日本1965-1975年间化工设备所发生的破坏事故中，有近半数是属应力腐蚀破坏。我国各类球罐，从1975-1980年间所发生20台球罐事故中，有40是由于SCC所引起。SCC所造成危害甚大。应力腐蚀裂纹问题十分复杂，涉及到力学、电化学、金属物理、焊接冶金等多方面学科，需要一些高级测试手段。因此，到目前为止，对SCC的机理还不是十分清楚。,二、应力腐蚀裂纹的特征,应力腐蚀裂纹与其他类型的焊接裂纹有明显的区别，它的主要特征如下：(一)应力腐蚀裂纹的分布从表面上看，裂纹的分布如同疏松的网状或龟裂分布。在焊缝的表面上，多以横向裂纹出现(见图5-97b)。如果引入金属内部观察，SCC的形态如同树根一样。从断口的形态来看，是属典型的脆性断口。(二)SCC的开裂途径低碳钢、低合金钢、铝合金、黄铜，以及镍基合金等，SCC多属沿晶开裂。黄铜和在氯化物介质中的奥氏体不锈钢，SCC多属穿晶开裂。奥氏体不锈钢，当腐蚀介质不同时，则开裂的性质也不同，即可能出现沿晶开裂，也可能出现穿晶开裂，或者出现沿晶与穿晶的混合开裂。奥氏体不锈钢在不同腐蚀介质中的SCC开裂行径参见表5-16所示。,图5-97SCC的分布a）母材表面的SCCb)焊缝表面的SCC,图5-98金属内部的SCC,图5-99SCC河流状穿晶断口SCC的断口上都不同程度地附有腐蚀产物,很难看出断口的特征。SCC的穿晶断口，在扫描电镜下可以观察到河流状条纹，如图5-99所示。,(三)SCC的产生与应力产生SCC的另一持点就是必须有拉伸应力存在，而焊接结构如不经消除应力处理，必然存在残余应力，这是产生SCC的重要条件。所以对于焊接结构来讲，即使不承受载荷，只要有腐蚀介质存在，就会产生SCC，这点必须给以足够的重视。通常对于重要的焊接结构，如在腐蚀条件下工作，必须进行消除应力处理,以防产生SCC。,三、产生应力腐蚀裂纹的机理,由于SCC所涉及的因素较多，所以到目前为止，对它的机理尚没有得到满意的解决，下面仅以较公认的看法作一介绍。(一)电化学应力腐蚀开裂机理根据近年来电化学方面的研究，把应力腐蚀开裂分为两个方面：(1)阳极溶解腐蚀开裂(简称APC)；(2)阴极氢脆开裂(简称HEC),图5-100APC和HEC应力腐蚀过程图5-101电流密度与断裂时间tf的关系,(二)机械破裂应力腐蚀开裂机理,焊接构件在应力作用下将会产生不同程度的塑性变形，当塑性变形大到一定的程度，就会产生“滑移台阶”。由塑性变形发展到滑移台阶的机制，目前还缺少动态过程的观察。但根据晶体缺陷方面的研究，可以认为是由螺型位错或刃型位错的移动而形成的。如图5-102所示，当滑移台阶的高度大于氧化膜的厚度时，就会使氧化膜破裂，从而使金属露于表面。在腐蚀介质作用下，金属就会被快速溶解，从而发生SCC。显然，这种腐蚀开裂是以APC为主，并且与滑移台阶的大小有关，粗晶区的滑移，可出现大的台阶，使保护膜易于破裂。,图5-102塑性变形引起的滑移台阶,(三)SCC的扩展,在工程上由于结构的材质、服投环境，以及所承受的应力状态不同，因此SCC的扩展途径也有很大的不同。根据大量的解剖件，SCC的扩展途径大体上分为以下三类：A类：由起裂点开始。一直向纵深扩展，只有少量分枝。这种SCC主要以穿晶形式开裂，多发生在强度较低的不锈钢和s=800l000MPa的高强钢。B类：由起裂点开始，不是向深处发展，而是沿横向扩展，形成树根状的密集分枝。这种SCC也是以穿晶形式开裂，主要发生在强度较低的不锈钢和对氢敏感的超高强钢。中间类：这类SCC的扩展介于A类和B类之间，即由起裂点开始，既向深处发展，也向横向扩展，其行径具有沿晶特征。这种SCC主要发生在不锈钢构件。以上三种类型的SCC扩展形态如图5-103所示，发生SCC的临界应力(th)与材料的屈服点(s)之间的关系如图5-104所示。,四、应力腐蚀裂纹的影响因素及其防治,(一)组装组装对产品质量的影响很大，强制组装会产生很大的残余应力，从面引起SCC，因此，必须严格控制组装的质量，施工时应保证下料的精度，如有较大的错边，应采用整形的办法，而不能用千斤顶强制组装。另外，在组装过程中更应避免各种伤痕，如拉筋、型铁、支柱、夹具等所留下的痕迹，以及打弧时的烧痕，都应用砂轮磨去，否则就可能是SCC的起源。(二)焊接材料选择尽管母材的抗SCC的能力很强，但选用的焊接材料不当，同样会使构件产生SCC。因此，对有腐蚀介质作用下的焊接构件，正确选择焊接材料是十分重要的。根据腐蚀介质的不同，焊缝的化学成分和组织应尽可能与母材一致。(三)焊接工艺为防止SCC，在焊接工艺方面主要是制定合理的焊接工艺规程，如焊接线能量、焊接顺序和坡口的形式及变形的控制等。前者是防止焊接热影响区硬化和晶粒粗大，而后者是防止产生过大的残余应力相应力集中等。热影响区硬度增高，极易产生HEC型的SCC。硬度越高，产生SCC的临界应力th越低。如液化石油气(LPG)球罐产生SCC与罐中的H2S浓度及热影响区的最大硬度有一定的关系，如图5-106所示，当LPG罐中的H2S浓度约在50ppm时，热影响区的最高硬度应限制在300Hv以下。,(四)焊后消除应力处理焊后消除应力处理不仅可以降低冷裂，脆断的倾向，同时也可以防止SCC和改善焊接接头的组织，因此对于一些重要的焊接结构(包括在腐蚀介质条件下工作的)都要进行消除应力处理。焊后消除应力处理的方法很多，应根据结构的具体情况和技术上的可能进行选择，一般有整体热处理、局部热处理、水压试验、机械拉伸、温差拉伸、锤击，以及爆炸法等。1整体消除应力处理消除应力的程度，主要决定于材质的成分、组织、加热温度和保温时间等。低碳钢及部分低合金钢焊接构件的加热温度和保温时间与消除应力的效果如图5-107所示。由图看出，加热650、保温2040h，基本上可消除全部残余应力。消除应力的程度可用下式估算：PT(lgt+20)10-32局部消除应力处理对于一些重要的面又不能整体处理的大型焊接结构(如管道)，可采用局部热处理部分地消除残余应力，对于降低SCC的敏感性也是有效的。局部热处理可以采用火焰、电阻、红外、感应等加热方式，应保持加热均匀，并保证合适的加热宽度。对低合金钢，加热宽度一般为焊缝两侧各l00-200mm。,(五)表面改质近年来表面工程的应用范围日益扩大，在防止SCC方面也取得了满患的效果，如在与腐蚀介质接触的一侧，采用喷涂耐蚀金属层、塑料涂层、表面堆焊不锈短钢等，可以大大提高抗SCC的能力。例如，在HT80钢的表面喷涂铝，在含有13500ppmH2S介质中放置三周，母材和焊缝均末发生SCC。总括以上，影响SCC的因素和预防措施是多方面的，概括起来不外是材质、应力和腐蚀介质三大方面，但由于涉及的问题较多，交互影响，十分复杂，因此无论是形成机理、影响因素，还是预防措施都有待继续深入研究。,第七节焊接裂纹综合分析和判断,焊接裂纹是焊接结构建造和使用过程中极其普遍而又十分严重的缺陷，因此引起了世界各国的关注。本章对热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹等在前面的几节中都作了较为系统地讨论，对于各类裂纹的特征和影响因素都有较为明确的了解。但在实际工程上，对于某焊接结构的失效事故涉及因素很多，往往难以确定属于何种裂纹，需要进行细致地分析和判断、作出裂纹性质的正确结论，以便找出产生裂纹的原因及防止措施。本节主要根据各类裂纹的特征，对焊接结构所产生的裂纹进行分析，然后作出裂纹性质的判断。,一、宏观分析及判断,用宏观分析的方法确定莱焊接结构所出现裂纹的性质是最方便和最简易的，也是工程上采用最多的方法。所谓宏观分析，主要是采用常规的检测手段，根据材质和焊接材料的化学成分、建造过程中的焊接工艺和产品结构的运行工况条件，对已出现的裂纹进行定性地分析与判断。(一)被焊材质和焊接材料的化学成分以低合金高强钢为例，各种强度级别的钢种，均有规定的化学成分标准。根据某钢种的化学成分，就可以大致判断产生裂纹的可能性。例如，对于一般低合金钢母材和焊缝来讲，S、P、C偏高时，就有可能产生热裂纹、冷裂纹，甚至应力集中部位经再热处理时还可能产生再热裂纹。若S、P、O较多还能产生层状撕裂。因此，根据C、S、P、O的含量就可以大致判断产生裂纹的成分条件。,(二)根据施工中的焊接工艺,如果在钢种和焊接材料化学成分正常情况下，出现裂纹的重要原因之一就是施工时焊接工艺不当或违反某些施工规程所引起。例如，焊接质量失控、强制组装、预热温度偏低、焊缝表面成形不佳、咬边严重，而内部就有可能存在夹杂、气孔，甚至裂纹。因此，根据焊接工艺的执行情况，来判断裂纹性质也是重要的依据之一。另外，焊接位置，焊接顾序和焊接线能量等也都可以作为判断裂纹性质的参考。例如，焊接位置和施焊顺序不当，往往会产生较大的残余应力，焊接线能量过大或过小，都有可能产生热裂纹或冷裂纹，以至层状撕裂。据统计，l978-1982年间我国的各类球罐的失效事故中，几乎有50是由于施工质量存在问题而造成的。可见，仔细分析施工中的焊接质量是重要的。,(三)产品结构的运行工况条件,环境有腐蚀介质，常使焊接结构产生应力腐蚀裂纹。对于化工设备中的压力容器与管道的应力腐蚀裂纹，最常见的是奥氏体不锈钢的酸、碱应力腐蚀和低、中合金的H2S应力腐蚀。长期在气田、油田、海滨和化工区等地带工作的焊接结构都有产生应力腐蚀裂纹的可能。高温高压下长期使用的焊接结构，有可能产生再热裂纹和蠕变疲劳裂纹等，如果配合其他检测手段(如显微组织分析)，就很容易确定裂纹的性质。动载、疲劳和射线辐照等条件下工作的结构，多半是使原有的裂纹加速扩展。液化石油气球罐，由于H2S的含量没有作出严格的限制，有的可达300010000ppm之高，造成了严重的应力腐蚀裂纹。,二、微观分析及判断,使用光学显微镜、电子显微镜、扫描电镜、电子探针、以及俄歇能谱和X光晶体衍射等手段来观察和分析裂纹的特征都属于微观分析的方法。应用最为广泛的就是光学显微镜下的显微组织观察和扫描电镜下的断口分析。显微组织观察常常不是单一进行的，有时要配合硬度、夹杂分布的测定工作。一般情况下，利用光学显微镜观察组织和织和裂纹特征，基本上可以确定出裂纹的性质。1热裂纹对于低碳钢、强度级别较低的低合金钢、不锈钢、铝合金等，热裂纹主要出现在焊缝，并且具有沿晶的特征，有时还带有氧化的彩色。如果某结构出现具有上述特征的裂纹，就可以判断为热裂纹。有时热裂纹也出现在近缝区，但仍具有上述的特征，所以仍可作出判断。,2冷裂纹这种裂纹主要出现在低合金高强钢、中高碳钢的焊接热影响区，同时与粗晶淬硬组织有密切关系。裂纹的走向有时穿晶，有时沿晶，这要根据材质、氢和受力的状态而定。l5MnVN钢埋弧焊根部裂纹如图5-109所示，裂纹起源于有应力集中的焊根处，平行于熔合线，沿粗晶区扩展。对于某些强度级别较高的高强钢和超高强钢，冷裂纹有时也出现在焊缝上。在多层焊时，由于层间温度偏低和氢的聚集，冷裂纹也可能出现在焊缝。这时仅用一般显微镜观察有时难以定论，必须用其他更高级的测试手段、如断口分析、探针和透射电镜等。3再热裂纹这种裂纹的特征是明显的，除了在第四节中提到的四个主要特征之外，在金相组织和裂纹的走向上都有明显的特征。这种裂纹主要是沿过热粗晶的边界发生和扩展，如图5-110所示。如再配合热处理前后的检测试验，很容易作出判断。,4层状撕裂在一般光学显微镜下观察很容易对层状撕裂作出判断，因为它的特征极为明显，如图5-111所示。由图看出，撕裂沿硫化物夹杂呈梯形扩展。也有些精况下梯形不太明显，这时要配合夹杂物分析和断口分析。5应力腐蚀裂纹这种裂纹的特征更为明显，几乎只在显微镜下观察立即就可作出判断。图5-112是不锈钢管存放在海滨所发生的应力腐蚀裂纹。,三、断口分析及判断,用扫描电镜或透射电镜来进行断口分析在近年来得到广泛地应用，几乎成为试验研究、工程实