再热层状应力腐蚀

再热层状应力腐蚀134第1页，课件共34页，创作于2023年2月4.2.3再热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹一、再热裂纹的特征、产生机理与控制

1、再热裂纹的发生及其特点

焊后，焊件在一定温度范围再次加热而产生的裂纹称再热裂纹。下列两种情况下出现的裂纹都属再热裂纹：

1)有些金属焊后并未发现裂纹，而在焊后消除应力的热处理过程中才出现裂纹。这种裂纹又称消除应力处理裂纹．简称SR裂纹。

2)有些焊接结构焊后没有裂纹，而在一定温度条件下长期工作才产生的裂纹。234第2页，课件共34页，创作于2023年2月特点:1)

再热裂纹仅在含有一定沉淀强化元素（如Cr、Mo、V等）的金属焊件中产生。

2)只发生在某一温度区间。一般的低合金钢，约为500-700℃之间；奥氏体不锈钢和一些高温合金钢在700-900℃之间，随材料不同而变化。

3)只发生在热影响区粗晶区的晶界上，裂纹走向是沿熔合线母材侧的奥氏体粗晶晶界扩展，呈晶间开裂。

4)在焊接区必须同时存在有残余应力和不同程度的应力集中。因此，在大拘束焊件或应力集中部位最容易产生再热裂纹。334第3页，课件共34页，创作于2023年2月2、再热裂纹的形成机理研究认为，再热裂纹的产生是由于高温下晶界强度低于晶内强度，晶界优先于晶内发生滑移变形，使变形集中在晶界上。当晶界的实际变形量超过了它的塑性变形能力时，就会发生裂纹，即：ε＞εc式中，ε——局部晶界的实际塑性变形量；

εc——局部晶界的塑性变形能力。434第4页，课件共34页，创作于2023年2月实际的塑性应变主要由焊接接头的残余应力在再加热过程中发生应力松弛而引起，它与接头的拘束度和应力集中有关。晶界的塑性变形能力，则取决于晶界性质，晶内抗蠕变能力及晶粒大小等因素。由于杂质在晶界偏析而导致晶界塑性变形能力的减弱，将使接头的再热裂纹倾向增大；534第5页，课件共34页，创作于2023年2月1）晶界杂质析集的弱化作用在焊接接头再加热到500－600℃的过程中，钢中的P、S、Sb、Sn等元素都会向晶界析集，大大降低了晶界的塑性变形能力。634第6页，课件共34页，创作于2023年2月2）晶内沉淀的强化作用沉淀强化元素Cr、Mo、V、Ti、Nb等的碳、氮化合物在一次焊接热(高于1100℃时)作用下固溶，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、氮化合物就在晶内沉淀析出，使晶内强化。由于晶内强化的提高，使变形更困难，于是应力松弛引起的塑性变形便集中到晶界上，当晶界的塑性储备不足时，就产生了再热裂纹。734第7页，课件共34页，创作于2023年2月根据晶内强化的观点，建立了一些按合金元素的质量分数定量地评估某些低合金钢再热裂纹倾向的经验公式，如：

PSR＝Cr＋Cu＋2Mo+5Ti+7Nb+10C-2

当PSR＞0时，易裂。834第8页，课件共34页，创作于2023年2月3、再热裂纹的影响因素及其防治⑴冶金因素1)化学成分对再热裂纹的影响①随着钢中沉淀强化元素Cr、Mo、Cu、V、Nb、Ti等的增加，钢的再热裂纹倾向增大。②当铬含量超过一定值后，再热裂纹倾向反而降低。③钒对再热裂纹倾向影响最大。④钢中含钼量越多，铬对再热裂纹倾向的影响也越大。

⑤随着含碳量增加，再热裂倾向增大，但达到一定数量后，即达饱和就不再增大。934第9页，课件共34页，创作于2023年2月2)钢晶粒度的影响

高强度钢的晶粒度越大，则晶界开裂所需的应力越小，也就容易产生再热裂纹。钢中的杂质越多，也会降低晶界开裂所需的应力。3)焊接接头不同部位对再热裂纹的影响对HT80钢的焊接接头进行试验，把缺口分别开在不同位置，经600℃，2h后再热处理后，发现只有缺口开在粗晶区的接头才发生再热裂纹而开在母材、焊缝，细晶区等处均未发现再热裂纹。1034第10页，课件共34页，创作于2023年2月⑵工艺因素

1)焊接方法及热输入的影响影响主要表现在是增大还是减小过热粗晶区，采用焊接热影响区窄的焊接方法是有利的。大的焊接热输入会使过热区的晶粒粗大，其中电渣焊最为严重。对于一些晶粒长大敏感的钢种，埋弧焊的再热裂纹敏感性比焊条电弧焊时为大，但对一些淬硬倾向较大的钢种，焊条电弧焊反而比埋弧焊时的再热裂倾向大。1134第11页，课件共34页，创作于2023年2月2)焊接材料的影响

选用低匹配的焊接材料，适当降低焊缝金属的强度以提高其塑性变形能力，从而可以减轻近缝区塑性应变集中的程度，缓和焊接接头的受力状态，有利于降低再热裂纹的敏感性。1234第12页，课件共34页，创作于2023年2月3)预热和后热的影响为了防止再热裂纹应采取比单纯防止冷裂纹更高的预热温度或配合后热才有效。4)残余应力和应力集中的影响

应力集中对再热裂纹影响十分明显，随着应力集中系数的增大，再热裂纹倾向就越大。1334第13页，课件共34页，创作于2023年2月减少焊接残余应力和消除应力集中源是减少再热裂纹的重要措施。一般应当：①改进结构设计：必要时，要求焊后消除应力处理之前，削除焊缝余高以减少焊趾的应力集中。②提高焊接质量，减少焊接缺陷，防止咬边、未焊透等缺陷。③合理地安排装配和焊接顺序，以减少接头的拘束度，降低残余应力水平。④必要时对焊缝表面重熔。1434第14页，课件共34页，创作于2023年2月二、层状撕裂的的特征、产生机理与控制

1、层状撕裂的发生及其特点

当焊接大型厚壁结构时，如果在钢板厚度方向受到较大的拉伸应力，就可能在钢板内部出现沿钢板轧制方向发展的具有阶梯状的层状撕裂裂纹。常出现在T形接头、角接头和十字接头中，对接接头很少出现。但当在焊趾和焊根处由于冷裂纹的诱导也会出现层状撕裂。不发生在焊缝上，只产生于热影响区或母材金属的内部，一般在钢表面上难以发现。1534第15页，课件共34页，创作于2023年2月图4.16层状撕裂示意图

a）焊根处层状撕裂，b）、c）焊道下层状撕裂，d）焊趾处层状撕裂1634第16页，课件共34页，创作于2023年2月由焊趾或焊根冷裂纹诱发的层状撕裂，有可能在这些部位显露于金属表面。从焊接接头断面上可以看出，层状撕裂和其他裂纹的明显区别是呈阶梯状形态，裂纹是由基本平行轧制表面的平台和大体垂直于平台的剪切壁两部分组成。1734第17页，课件共34页，创作于2023年2月层状撕裂与钢种强度级别无关，主要与钢中夹杂物的数量及其分布状态有关，在撕裂平台上常发现不同种类非金属夹杂物。当沿钢的轧制方向有较多的片状MnS时，层状撕裂才以阶梯状形态出现。如果是以硅酸盐夹杂为主，则常呈直线状。若以Al2O3夹杂为主，则呈不规则的阶梯状。1834第18页，课件共34页，创作于2023年2月2、层状撕裂的形成机理厚板结构焊接时，尤其是T形或角接头，在强制拘束的条件下，焊缝收缩会在母材厚度方向(常简称Z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，夹杂物与金属基体之间就会发生分离而生成微裂纹，在应力的连续作用下，裂纹就沿夹杂所在平面上扩展，形成了“平台”。平台发生多处且相互平行。它们起先并不连贯，待相邻平台扩展到彼此接近，受到剪切应力作用下，发生剪切断裂，形成了剪切壁。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。1934第19页，课件共34页，创作于2023年2月3、影响层状撕裂的因素应从冶金和力学两方面因素进行分析。1）冶金因素最主要的是钢材中非金属类夹杂物的种类、数量及其分布形态。因此在拉伸应力作用下，使夹杂物破断或它与基体金属分离，而形成层状撕裂。钢中常见夹杂物有硫化物，各种硅酸盐和铝酸盐等。铝酸盐夹杂物多呈球形分布，对层状撕裂敏感性稍小；而硫化物和硅酸盐多呈片状或条状分布，所以对层状撕裂敏感性影响较大。氢不是造成层状撕裂的直接原因，但它容易促成冷裂纹，再由冷裂纹诱发层状撕裂。发生在焊趾和焊根处的层状撕裂，往往是由氢致裂纹诱发产生的。2034第20页，课件共34页，创作于2023年2月2）力学因素凡是导致沿板厚方向(即Z向)产生拉伸应力的各种因素，都能促成层状撕裂。如结构的拘束应力、焊接应力和载荷引起的应力等。这些应力越大，越容易产生层状撕裂。2134第21页，课件共34页，创作于2023年2月4、防止层状撕裂的措施层状撕裂出现后就难以修复，必须以防为主。1）控制夹杂物应选用具有抗层状撕裂的钢材。要提高钢材的抗层状撕裂性能，应在冶金方面降低钢中的夹杂物(特别是硫)和控制夹杂物的形态。精炼钢可炼出w(S)只有0.003％～0.005％，其Z向断面收缩率可达23％～45％，有些高达60％～75％，完全可以解决层状撕裂问题。冶炼时加入能把钢中的MnS变成其他元素硫化物的元素，使其在热轧时难以伸长，从而可减轻材料的各向异性，提高其抗层状撕裂性能。2234第22页，课件共34页，创作于2023年2月2）结构设计与施焊工艺（1）应尽量避免单侧焊缝，改用双侧焊缝可缓和焊缝根部区的应力状态，以防止应力集中；（2）采用焊接量少的对称角焊缝代替焊接量大的全焊透焊缝，以避免产生过大的应力；（3）应在承受Z向力的一侧开坡口；（4）对于丁字接头，可在横板上预先堆焊一层低强的焊接材料，以防止焊根裂纹，同时亦可缓和焊接应变；（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，如减少氢量，适当提高预热温度，控制层间温度等。

2334第23页，课件共34页，创作于2023年2月三、应力腐蚀裂纹的特征、形成与控制

1、应力腐蚀裂纹的特征金属材料在一定温度下受腐蚀介质和拉伸应力共同作用而产生的裂纹称应力腐蚀裂纹。由应力腐蚀而引起的断裂是在没有明显宏观变形、无任何征兆的情况下发生的，破坏具有突发性。裂纹往往深入到金属内部，一旦发生，很难修复。从宏观形态看，只产生在与腐蚀介质接触的金属表面，然后从表面向内部延伸，表面看呈直线状、树枝状、龟裂状或放射状等多种形态，但都没有明显塑性变形，裂纹走向与所受拉应力垂直。2434第24页，课件共34页，创作于2023年2月从微观形态看、深入金属内部的应力腐蚀裂纹呈干枯的树根状，“根须”细长而带有分支，裂纹断口为典型的脆性断口。图应力腐蚀裂纹的典型形态2534第25页，课件共34页，创作于2023年2月2．应力腐蚀裂纹形成条件形成压力腐蚀裂纹的基本条件是：①材质必须是合金，也包括含微量元素的合金。纯金属一般不发生应力腐蚀开裂；②材质与介质相匹配。并非金属材料与任何介质都产生应力腐蚀裂纹，而是有一定匹配关系。③必须存在拉应力。拉应力可以是工作应力和残余应力。焊接残余应力通常在焊缝及近缝区为拉伸应力，有时高达材料的屈服点。2634第26页，课件共34页，创作于2023年2月3、应力腐蚀开裂机理公认的看法认为应力腐蚀开裂是由电化学腐蚀和拉应力下金属局部的机械破坏两者共同作用的结果。按电化学研究结果，金属在腐蚀介质中有以下两种电化学作用：

①阳极溶解腐蚀开裂，简称APC；②阴极氢脆开裂，简称HEC。一般奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂是属APC型；低碳钢、低合金高强度钢和超高强度钢多属HEC型，又称氢致开裂(氢脆)。2734第27页，课件共34页，创作于2023年2月图塑性变形引起的滑移台阶18-8型不锈钢的应力腐蚀与拉应力作用下引起金属表面氧化膜的破坏有关。应力的作用下，金属在局部将产生不同程度的塑性变形，这种变形大到一定程度就会发生“滑移台阶”。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，出现断层而暴露出新鲜的金属，见图。在腐蚀介质作用下，无保护的金属就被快速溶解从而发生APC型的应力腐蚀开裂。2834第28页，课件共34页，创作于2023年2月4、防止应力腐蚀裂纹措施影响应力腐蚀裂纹的因素很多，防治的途径应是多方别的，见表。表控制应力腐蚀的途径2934第29页，课件共34页，创作于2023年2月1）合理选择母材选用抗应力腐蚀能力好的母材。当前以高铬铁素体不锈钢、双相钢、高镍不锈钢或高镍合金有较好耐应力腐蚀性能，可以根据工作条件进行选择。2）焊接材料选择焊缝金属必须具有与母材相同的抗应力腐蚀裂纹的能力。焊缝的化学成分应尽可能与母村一致。在高温水工作的18-8型不锈钢，抗应力腐蚀裂纹