材料成形中的裂纹ppt课件

1、第五章第五章 资料成形中的裂纹资料成形中的裂纹 天津大学 王惜宝第一节 焊接裂纹的分类图5-1 焊接裂纹的宏观形状及分布a) T型接头的宏观裂纹 b) 对接接头的焊接裂纹 c) 焊缝收弧处的弧坑裂纹1焊缝中纵向裂纹 2焊缝中横向裂纹 3熔合区裂纹 4焊缝根部裂纹5热影响区根部裂纹 6，7焊趾裂纹 8焊道下裂纹 9层状撕裂10弧坑纵向裂纹 11弧坑横向裂纹 12弧坑星形裂纹 根据裂纹产生的机理，焊接裂纹可分为：焊接热裂纹 结晶裂纹 液化裂纹 多边化裂纹焊接冷裂纹 延迟裂纹 淬硬脆化裂纹 低塑性裂纹再热裂纹层状撕裂应力腐蚀裂纹各种裂纹的根本特征如表5-1所示 第二节第二节 焊接热裂纹焊接热裂纹 一

2、、热裂纹的主要特征一、热裂纹的主要特征 热裂纹出现时间： 在结晶后期，临近固相线的温度范围内，焊后立刻产生；结晶裂纹主要产生钢种： 在含碳、硫、磷等杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝中和单相奥 氏体钢、镍基合金以及某些铝合金的焊缝中 ；热裂纹主要分布位置： 在焊缝中心、弧坑，有的分布在焊缝的柱状晶晶界，有的分布 在热影响区的过热区 热裂纹的显微特征： 产生具有沿晶开裂特征，它是沿原奥氏体晶界开裂，裂纹 尖端圆钝，裂纹外表还多伴随有氧化颜色 。热裂纹的产生与焊缝和热影响区中碳、硫、磷等杂质的含量及结晶 后期硫、磷等在晶界构成的低熔点共晶有关 ； 二、热裂纹的分类(一)结晶裂纹 焊缝结晶过程中，在固相线

3、附近，由于凝固金属的收缩，剩余液体金属缺乏而不能及时填充，在应力作用下发生沿晶开裂，故称结晶裂纹。(二) 液化裂纹近缝区或多层焊的层间部位，在焊接热循环峰值温度的作用下，由于被焊金属含有较多的低熔点共晶而被重新熔化，在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶界发生开裂 (三) 多边化裂纹焊接时焊缝或近缝区在固相线稍下的高温区间，由于刚凝固的金属中存在很多晶格缺陷(主要是位错和空位)及严重的物理和化学不均匀性，在一定的温度和应力作用下，由于这些晶格缺陷的迁移和聚集，便构成了二次边境，即所谓“多边化边境。因边境上堆积了大量的晶格缺陷，所以它的组织性能脆弱，高温时的强度和塑性都很差，只需有细微的拉伸应力，就会沿多

4、边化的边境开裂，产生所谓产多边化裂纹 三、结晶裂纹构成的机理三、结晶裂纹构成的机理 结晶裂纹是在液态薄膜和拉应力共同作用下产生的，其中液态薄膜是产生结晶裂纹的内因，而拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条件 . 结晶过程中焊缝金属的塑性 (1) 液固阶段： (2) 固液阶段： (3) 完全凝固阶段： (二) 结晶裂纹构成的条件 1. 应变按曲线1变化 在固相线Ts附近的应变为e，此 时 焊 缝 的 塑 性 贮 藏 量 es=Pmin-e 0，此时不会产生结晶裂纹。2. 应变按曲线2变化 在固相线Ts附近，焊缝的塑性贮藏量es=Pmin-e 0,应变e恰好与焊缝金属的最低塑性值Pmin相等，此时处于临界

5、形状。3. 应变按曲线3变化 在固相线Ts附近，焊缝的塑性贮藏量 es=Pmin-e 0 焊缝应变值e已超越焊缝金属的最低塑性值Pmin，此时必然产生裂纹。 能否产生结晶裂纹取决于 1、焊缝金属的脆性温度区间TB的大小；2、脆性温度区内的最小塑性Pmin；3、脆性温度区内应变增长率，4、这些要素之间的相互关系。 因此, 从本质上看，影响结晶裂纹的要素主要可归纳为冶金要素和力的要素 四、四、 影响结晶裂纹的要素及防止措施影响结晶裂纹的要素及防止措施 (一) 冶金要素对结晶裂纹的影响 1. 结晶温度区间的影响： 合金形状图中结晶温度区间越大,脆性温度区间也越大,结晶裂纹倾向越大 3、碳的影响 碳不

6、仅本身会显著增大结晶温度区间(见图)，而且还会加剧硫、磷的偏析 由于液相中的先析出相由相转变为相 2. 硫、磷的影响 相 相 S 0.18 0.05 P 2.80 0.25 4、其它合金元素的影响锰的影响 锰具有脱硫作用，同时也能改善硫化物的分布形状 使薄膜状FeS改动为球状分布的MnS，提高了焊缝的抗裂性 (2)硅的影响 硅是相构成元素，应有利于消除结晶裂纹，但硅 含量超越0.4%时，容易构成硅酸盐夹杂，从而添加了裂纹倾向 (3)钛、锆和稀土 近年来发现，钛、锆和镧、铈等稀土元素能 构成高熔点的硫化物。例如，TiS的熔点约为20002100、 ZrS熔点为2100、La2S3熔点在2000以

7、上、CeS熔点2450。 因此，采用钛、锆和镧、铈等稀土元素的脱硫效果比锰还好 (MnS熔点1610)，故对消除结晶裂纹有良好作用5。 (4)镍 镍在低合金钢中易于与硫构成低熔共晶(Ni与Ni3S2的共 晶熔点仅645)，因此会引起结晶裂纹 5. 一次结晶组织形状的影响 焊缝在结晶后，晶粒大小、形状和方向，以及析出的初生相等对抗裂性都有很大的影响。晶粒越粗大，柱状晶的方向越明显，那么产生结晶裂纹的倾向就越大。 二工艺要素的影响及防治措施 冷却速度的影响 接头的冷却速度越大，所产生的应变率也越大2. 焊接速度的影响 3. 焊缝外形的影响 4. 焊接次序的影响 5. 减小熔合比 6. 采用适当的运

8、条手法 四、液化裂纹四、液化裂纹(一一) 液化裂纹的特征液化裂纹的特征 液化裂纹是在高温下近缝区的奥氏体晶界出现的一种微裂纹，它的尺寸很小，普通在0.5mm以下，个别裂纹可达1mm，属于显微裂纹，多出如今焊缝熔合线的凹陷区具外表约37mm和多层焊的层间过热区， (二) 液化裂纹的构成机理 液化裂纹虽然同属于热裂纹，但它与结晶裂纹不同的是液化裂纹不是在结晶过程中产生的，而是在焊接峰值温度的作用下，导致近缝区奥氏体晶界处的低熔点共晶重新液化，该部位金属的强度及塑性急剧降低，在拉应力作用下沿奥氏体晶界开裂而构成的裂纹。(三) 影响液化裂纹的要素及防治措施 冶金要素：铬、镍、硼等元素的晶界偏析 工艺要

9、素：主要表达在线能量和焊缝外形上 五、多边化裂纹和高温失延裂纹的构成五、多边化裂纹和高温失延裂纹的构成在热影响区(包括多层焊时前一焊道的热影响区)温度低于固相线的部位，不存在液态薄膜，也会产生晶延续裂而构成高温裂纹。这种裂纹大多属于多边化裂纹或高温失延裂纹。在纯金属或单相奥氏体焊缝或近缝区中，刚凝固的金属存在很多晶格缺陷，晶格缺陷在高温条件下的分散聚集构成低塑性的二次边境多边化晶界，在收缩应力的作用下由多边化晶界产生多边化裂纹。在其它资料的焊接热影响区中，在高温条件下由晶内晶界的不均匀变形加上晶界的缺陷聚集而失强、失塑导致的晶界开裂属于高温失延裂纹。第三节第三节 焊接冷裂纹焊接冷裂纹 一、一、

10、 冷裂纹的分类冷裂纹的分类 (一) 延迟裂纹 这种裂纹是冷裂纹中一种普遍形状，它的主要特点是不在焊后立刻出现，而是有一定孕育期，具有延迟景象 1. 焊趾裂纹2. 焊道下裂纹3. 根部裂纹 (二) 淬硬脆化裂纹(或称淬火裂纹) 它完全是由冷却时马氏体相变而产生的脆性呵斥的，这种裂纹根本上没有延迟景象，焊后可以立刻发现，有时出如今热影响区，有时出如今焊缝上 (三) 低塑性脆化裂纹 某些塑性较低的资料，冷至低温时，由于收缩力而引起的应变超越了材质本身所具有的塑性贮藏而产生的裂纹 二、冷裂纹的特征1. 容易出现冷裂纹的钢种 冷裂纹常产生在中、高碳钢，低合金高强钢和钛合金等金属资料焊接接头中。这与钢种的

11、淬硬倾向有关。淬硬倾向越大的钢种，冷裂纹倾向越大。2. 构成冷裂纹的温度 冷裂纹是在资料的马氏体转变点Ms以下。3.冷裂纹的延迟特征 冷裂纹可以在焊后立刻出现，也有时要经过一段时间(几小时，几天甚至更长)才出现。且随时间延伸逐渐增多并扩展。 4. 冷裂纹的开裂方式 冷裂纹多出如今焊接热影响区，有时也出如今焊缝。冷裂纹的断裂与热裂纹不同，它是既有沿晶、又有穿晶开裂的复杂断口。 三、三、 焊接冷裂纹的构成机理焊接冷裂纹的构成机理 高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要要素: 钢种的淬硬倾向、焊接接头氢含量及其分布，接头所接受的拘谨应力形状(一) 钢中的淬硬倾向 钢种的淬硬倾向主要决议于化学成分、板厚、焊

12、接工艺和冷却条件等。焊接时，钢种的淬硬倾向越大，产生裂纹的倾向越大。其缘由为：1. 构成脆硬的马氏体组织 ：对裂纹和氢脆的敏感性很大 2. 淬硬会构成更多的晶格缺陷：钢种的淬硬倾向越大，组织的硬脆性越大，位错密度越大；空位和位错在应力作用下发生挪动和聚集，构成裂纹源裂纹乃至裂纹的倾向也越大组织对裂纹敏感性大致顺序小 大 铁素体或珠光体下贝氏体低碳马氏体上贝氏体粒状贝氏体M-A组元高碳马氏体(二) 氢的作用 氢是引起高强钢焊接冷裂纹重要要素之一，并具有延迟特征，因此，在许多文献上把氢引起的延迟裂纹称为“氢致裂 (Hgdrogen induced Crack) 高强钢焊接接头的含氢量越高，那么裂纹

13、的敏感性越大，当部分地域的含氢量到达某一临界值时，便开场出现裂纹6，此值称为产生冷裂纹的临界含氢量Hcr ，产生冷裂纹的Hcr 并不是一定值，它与钢种的化学成分、构造刚度、预热温度及冷却条件等有关。 钢中引起冷裂纹的氢含量是指钢中的分散氢含量，尤其是当冷却到100以下时，焊缝中的分散氢已不易向外分散逸出，而是向某个部位分散集聚而引起裂纹 1. 焊缝中氢的溶解与分散 来源：焊接时焊接资料、坡口外表的铁锈、油污、空气中水分 中的氢会熔入焊缝金属 溶解与分散：氢在铁素体中的分散速度要显著大于奥氏体中 氢在铁素体中的溶解度小，分散速度大；相反，氢在奥氏 体中溶解度大，分散速度小。 2. 氢在焊接接头中

14、的分散集聚 焊接低合金高强钢时，焊缝冷却时焊缝的相变点也总是高于母材 (由于，为了改善焊接性，焊缝的含碳量总是低于母材) 所以，焊缝中的H中冷却过程中要先从焊缝向母材HAZ区分散，由于氢在HAZ奥氏体中的分散速度较小，不能很快把氢分散到距熔合线较远的母材中去，因此在熔合线附近就构成了富氢地带。当滞后相变的HAZ由奥氏体向马氏体转变时(TAM)，氢便以过饱和形状残留在马氏体中，促使这个地域进一步脆化,为延迟裂纹的产生发明了条件。 3. 延迟裂纹的开裂机理 充氢钢拉伸实验时出现代景象：断裂时，存在一个“上临界应力uc和 “下临界应力Lc。 当应力在uc和Lc之间时，就会出现由氢引起的延迟断裂钢延迟

15、裂纹只是在一定的温度区间(-100+100)发生，温度太高那么氢易逸出，温度太低那么氢的分散遭到抑制，因此都不会产生延迟景象的断裂 延迟裂纹的产生还与钢的组织具有亲密的关系 :低碳铁素体钢和奥氏体钢都不会发生延迟裂纹氢的应力诱导分散开裂实际 (三) 焊接接头的应力形状 焊接热应力 由于焊接属于不均匀加热及冷却过程，因此会引起不均匀的膨胀和收缩，焊后将会产生不同程度的剩余应力。这种应力的大小与母材和填充金属的强度、热物理性质和构造的刚度有关。强度越高、线胀系数越大及构造刚度越大时剩余应力越大。对于屈服点较低的低碳钢，剩余应力可达s的1.2倍。2. 金属相变产生的组织应力 由于相变时的体积膨胀，将

16、会降低焊后收缩时产生的拉伸应力 3. 构造自拘谨条件所呵斥的应力 这种应力包括构造的刚度、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均会使焊接接头接受不同的应力。 上述三种应力的综协作用统称为拘谨应力 焊接拘谨应力的大小决议于受拘谨的程度，可以采用拘谨度R来表示。拘谨度分为拉伸拘谨度和弯曲拘谨度，通常所谓拘谨度常指拉伸拘谨度。拉伸拘谨度的定义：焊接接头根部间隙产生单位长度的弹性位移时，单位长度焊缝上所需求的力。 L11w (N/(mmmm) LEFR1 式中板厚E母材的弹性模量 N/mm2F拉伸应力N/mm2L拘谨间隔 (mm) 拘谨度R与板厚成正比，而与拘谨

17、间隔 L成反比。因此，调理和L的数值可改动拘谨度的大小。当L越小，增大时，那么拘谨度增大。 当R值增大到一定程度时就产生裂纹，这时的R值称为临界拘谨度(Rcr)。 假设接头的临界拘谨度Rcr 值越大，就表示该接头的抗裂性越强。 作为拘谨度的估计，大板厚时可用：R700 在板厚小于50mm时：R400 不同钢种焊接时，冷却到室温所构成的拘谨度与拘谨应力的关系如图5-27所示。其关系式如下： = m R 式中 m拘谨应力转换系数，它与钢的线胀系数、力学熔点、比热容、以及接头的坡口角度有关。对于低合金高强钢手工电弧焊时，=(35)10-2。 mRm m四、延迟裂纹的判据四、延迟裂纹的判据 1、单要素

18、判据 碳当量法： 最高硬度法： 临界拘谨度法： 临界氢含量法： 临界冷却速度法： 其中碳当量法和最高硬度法运用最为方便和普遍。2、综合判据 1、 根部裂纹敏感指数 60600ccmHPP60400000ccmHRPP53020601510cmSiMnCuCrNiMoVPB2、综合判据 1 根部裂纹敏感指数 60600ccmHPP53020601510cmSiMnCuCrNiMoVPB其中防止冷裂所需的预热温度： 3921440)(0PwT 60400000wcmHRPP2 产生冷裂纹的临界拘谨应力cr焊接时，随着拘谨应力的增大，冷裂倾向增大，当拘谨应力增大到刚刚产生裂纹时，此时的应力称为临界拘

19、谨应力cr。临界拘谨应力cr实践上反映了钢的化学成分、氢含量、冷却速度和应力形状等多种要素的影响。cr可利用TRC、RRC和插销实验等方法定量确实定产生冷裂纹的临界应力日本插销实验得出的阅历公式： cr(86.3211Pcm-28.21lg(H+1)+2.73t8/5+9.710-3t100)9.8国产钢阅历公式 cr(132.3-27.5lg(H+1)-0.216Hv+0.0102t100) 9.8 式中 Hv热影响区的最大平均维氏硬度 用计算或实测的 与cr 比较， cr 不产生裂纹，反之 cr 产生裂纹 (3) 冷至100时的临界冷却时间(t100)cr 它反映了被焊钢种的化学成分、含氢

20、量、焊接线能量和焊接拘谨条件等诸多要素综协作用的影响，其判别结果具有较高的可靠性 (t100)cr=370.84Pcm+73.22lg(H+1)+1.46E +0.012(R+R)-43.59 式中 Pcm被焊钢中的碳当量; H按GB396583测定的分散氢含量 (ml/100g)。 E焊接线能量(KJ/cm); R拉伸拘谨度(N/mm.mm)； R部分预热引起的附加拘谨度(N/mm.mm)； R= 式中 被焊钢的线胀系数(-1)，普通低合金钢=1.4510-5/-1； B部分预热的宽度 (mm)； Tp部分预热温度()； T0初始环境温度()；hw初始焊缝的平均厚度(mm)， M拘谨系数，普

21、通低合金钢，m=(35) 10-2 mh)T-B(Tw0pR比较实践焊接条件下的t100和(t100)cr，即可确定能否产生冷裂纹。 t100(t100)cr 不产生裂纹；t100(t100)cr 产生裂纹。 五、防止冷裂纹的措施五、防止冷裂纹的措施 1、 控制母材化学成分控制母材化学成分 母材化学成分影响钢材的淬硬倾向，对裂纹的产生具母材化学成分影响钢材的淬硬倾向，对裂纹的产生具有决议性的作用有决议性的作用 2、合理选择焊接资料、合理选择焊接资料 1 选用低氢和超低氢焊接资料及焊接方法选用低氢和超低氢焊接资料及焊接方法 2 严厉烘干焊条、焊剂严厉烘干焊条、焊剂 3 选用低匹配焊条选用低匹配焊

22、条 4奥氏体焊条奥氏体焊条 3、制定合理的焊接工艺、制定合理的焊接工艺 焊接线能量焊接线能量 ：过大导致粗晶，过小导致淬硬：过大导致粗晶，过小导致淬硬 预热温度的选择：过高会恶化条件，产生附加应预热温度的选择：过高会恶化条件，产生附加应力，力， 预热温度的选择预热温度的选择: 3921440)(0PwT 紧急后热： 最低后热温度可参考以下公式确定9： Tp=455.5Ceqp-111.4 式中 Tp 后热的下限温度()； Ceqp确定后热下限温度的碳当量()，详见教材 多层焊与层间温度 加强施工质量管理 第四节第四节 特殊条件下的裂纹特殊条件下的裂纹 一、一、 再热裂纹再热裂纹 对于某些含有沉

23、淀强化元素的钢种，往往焊后并未发现裂纹，可是在消应处置之后，却产生了所谓的“消除应力处置裂纹(Stress Relief Cracking)，简称SR裂纹。也有一些焊接构造，焊后没有裂纹，可是由于在500600的高温下长期任务，结果也出现了裂纹。这两种情况下产生的裂纹统称为“再热裂纹(Reheat Crack) (一) 再热裂纹的主要特征再热裂纹敏感的钢种 再热裂纹只产生在含有一定数量Cr、Mo、V等沉淀强化元素的钢中再热裂纹敏感的温度区间 再热裂纹的产生有一个敏感温度区间。对于普通的低合金钢，再热温度敏感区间约为500-700，它随钢种的不同而变化 再热裂纹产生的部位 再热裂纹产生在HAZ的

24、粗晶区，具有典型的晶间开裂特征。有时裂纹并不延续，呈断续状，遇到细晶区就停顿开展。再热裂纹产生的应力条件 在消除应力处置之前，焊接区存在有较大的剩余应力，并有不同程度的应力集中，二者必需同时存在，否那么不会产生再热裂纹。 (二) 再热裂纹的构成机理再热裂纹的发生与再热过程中发生的晶界弱化和晶界强化有关。 1. 晶间杂质析集对晶界弱化的作用 在500-600的再热过程中，钢中的P、S、Sb、Sn、As等元素都会向晶界析集，因此大大降低了晶界的塑性变形才干 2. 晶内沉淀强化作用 沉淀强化元素Cr、Mo、V、Ti、Nb等的碳、氮化物在一次焊接热作用下，因受热(高于1100C时)而固溶在高温奥氏体中，在焊后冷却时来不及充分析出，在二次再热时，这些元素的碳、氮化物在晶内沉淀析出，使晶内强化 二、二、 层状撕裂层状撕裂 (一一) 层状撕裂的特征层状撕裂的特征 产生层状撕裂产生层状撕裂(Lamellar Tear)的接头方式：的接头方式： 大型厚壁构造的大型厚壁构造的T型接头、十字接头和角型接头、十字接头和角接头焊接时会沿板的厚度方向出现较大的接头焊接时会沿板的厚度方向出现较大的拉伸应力，常称为拉伸应力，常称为Z向应力，这是产生层状向应力，这是产