第五章 焊接裂纹

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： c. 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。
第五章 焊接裂纹
特征： 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
第五章 焊接裂纹
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1)、 1)、热裂纹分类
a. 结晶裂纹：在凝固的过程--结晶过程中产生 高温液化裂纹： b. 高温液化裂纹：在高温下产生,钢材或多层焊
σ SL—固体晶粒与残液之间的表面张力
2
θ θ θ
—固相与液相的接触角 当
σ SL 越小θ
越小
σ SL σ SS=0.5
=0 残液在固体晶粒以薄膜存在裂↑ =180°残液以球状形态分布裂↓
/
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④一次结晶组织形态及组织对结晶裂 纹的影响 晶粒大小：晶粒粗大裂纹的倾向↑ 初生相： γ 相裂↑ δ 裂 ↓ δ δ 线膨胀系数小于 γ ， 相变应力↓裂↓
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分类: 分类:
1、 按裂纹分布的走向分 ①横向裂纹 ②纵向裂纹 ③星形（弧形裂纹） 2、 按裂纹发生部位分 ①焊缝金属中裂纹 ②热影响区中裂纹 ③焊缝热影响区贯穿裂纹
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纵向裂纹
3 、按产生本质分类
1）、热裂纹 （高温裂纹） ）、热裂纹 高温裂纹） 产生： 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
第五章 焊接裂纹
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b)、C i)、C<0.1% C↑结晶温度区间↑,裂纹↑ ii)、C>0.16% Mn/S↑无效,加剧P有害作用 裂↑ δ →γ iii)、C>0.51% 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↑ c)、Mn Mn具有脱S作用 [ Mn] + [ FeS ] → [ MnS 其中Mn熔 点高，早期结晶星球状分布，抗裂↑
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T↑ σ 1 σ 0 ↓ ↓
T→ T 0 σ 1 = σ 0
T 0 —称金属的等强温度 T> T 0 时，σ 1 >σ 0 发生断裂晶间断裂
若焊缝所受拉伸应力为 σ 2 随温度变化始终 不超过 σ 0 ，则不会产生结晶裂纹 σ 2 < σ 0
σ 若焊缝的拉伸应力为σ 1， 1 > σ 0产生结晶裂纹
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二、种类
各种不同类型的裂纹 ①焊缝中纵向裂纹 ②焊缝上横向裂纹 ③热影响区纵向裂纹 ④热影响区横向裂纹 ⑤火口（弧坑）裂纹 火口（弧坑） ⑥焊道下裂纹 ⑦焊缝内部晶间裂纹 ⑧焊趾裂纹 热影响区焊缝贯穿裂纹⑩ ⑨热影响区焊缝贯穿裂纹⑩焊缝根部裂纹
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第五章 焊接裂纹
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热裂敏感系数HCS公式
③凝固时界面张力
杂质的低熔点共晶所造成的液态 薄膜是产生结晶裂纹的重要因素 ，若将晶界的液态薄膜改变为球 状的形态，抗裂性↑
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固相晶粒之间和固液之间表面张力的 平衡关系为
σ SS = 2σ SL cos θ
σ SS —固体晶粒之间的表面张力
19 本节结束
微观特征
第五章 焊接裂纹
§5-2 焊接热裂纹
一、结晶裂纹
1、 产生机理
产生部位：结晶裂纹大部分都沿焊缝树 1 ） 产生部位 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。
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冷裂纹分类： 冷裂纹分类：
延迟裂纹： a. 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） b. 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： c. 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。
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焊缝冲击断口SEM形貌 (a)、(b)、(c) 未加入稀土 (d)、(e)、(f) 加入2%稀土 第五章 焊接裂纹
图2 焊缝冲击断口扫描形貌
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焊缝金属金相组织 a、未加入稀土 b、加入2%稀土
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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↓
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第五章 焊接裂纹
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3）产生结晶裂纹的条件
在ＴＢ焊缝的塑性用P表示, 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 .
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P = Φ (T )
产生裂纹的条件
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 ∆e < 0
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。
第五章 焊接裂纹
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三、热裂纹与冷裂纹的基本特点
裂纹 产生温度 产生部位 宏观特征 热裂纹 高温下产生 焊缝、热影响区 冷裂纹 低温下产生 热影响区、焊缝
沿焊缝的轴向成纵向 分布,也有横向分布， 断口具有发亮的金属光 裂口均有氧化色彩表 泽 面无光泽 沿晶粒边界分布，属 于沿晶断裂性质 晶间断裂，也有穿晶内 断裂，也有晶间和穿晶 混合断裂
注意：
含碳量C<0.016% S↑裂↑但加入Mn↑裂↓ 含碳量C>0.016% P对形成结晶裂纹的作用超 过了S，Mn↑无意义 第五章 焊接裂纹
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d)、 d)、Si 硅是 相形成元素，利于消除结晶裂 δ 纹 , δ 相中S、P溶解度大缘故， Si>0.4% 易形成低熔点的硅酸盐夹杂使 裂↑ e)、Ti 、锆（Zｒ）和稀土元素 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。
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延迟裂纹
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4）、层状撕裂： ）、层状撕裂： 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 。
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5）、应力腐蚀裂纹： ）、应力腐蚀裂纹： 应力腐蚀裂纹
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
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3、防止结晶裂纹的措施 1）、冶金方面
①控制焊缝中有害杂质的含量， 限制S、P、C含量S、P<0.03-0.04 焊丝C<0.12% (低碳钢) 焊接高合金钢，焊丝超低碳焊丝 ②改善焊缝的一次结晶 细化晶粒，加入Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al
s
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。
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结论：
①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。 ②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。 ③TB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。
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第五章 焊接裂纹
2)、工艺方面（减少拉应力） 、工艺方面（减少拉应力）
应变率 , ↓ 接头预热型式 适当增加线能量（q/v）接头型 式合理 妥善安排焊接次序焊次序
∂e E ↑、 ∂t ∂e T0 ↑应变率 ∂t
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通常产生在母材的热影响区的粗晶区，也 可产生在多层焊缝的焊层之间液化裂纹属 于晶间开裂性质，裂纹断口呈典型的晶间 开裂特征。
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2)、 2)、力的因素
在焊接时脆性温度区内金属的强度要小在脆性 温度区内金属所承受的拉伸应力。 产生结晶裂纹的充分条件。 σ m < σ
σ m —在脆性温度区内金属的强度 σ —在脆性温度内金属所承受的拉伸应力 金属的强度σ m 决定于 σ —晶内强度 1
σ 0—晶间强度
第五章 焊接裂纹
第五章 第五章 焊接裂纹
第五章 焊接裂纹
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第五章 焊接裂纹
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 概述 焊接热裂纹 焊接冷裂纹 再热裂纹 层状撕裂 应力腐蚀裂纹 焊接裂纹综合分析和判断
第五章 焊接裂纹
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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、影响因素，及其防 冶措施 3、焊接冷裂纹的形成机理， 4、应力腐蚀裂纹形成机理 ５、层状撕裂产生原因及防止、 ６焊接裂纹综合分析及判断，各种裂纹断口形 貌特征。
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§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。
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2、焊接结晶裂纹的影响因素
1）、冶金因素
①结晶温度区间： 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