第五章焊接裂纹

第五章 焊接裂纹
28
第五章 焊接裂纹
29
3）产生结晶裂纹的条件
在ＴＢ焊缝的塑性用P表示, P (T ) 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 .
第五章 焊接裂纹
30
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
第五章 焊接裂纹
15
延迟裂纹
第五章 焊接裂纹
16
4）、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 。
第五章 焊接裂纹
17
5）、应力腐蚀裂纹：
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。
当HCS<4时，可以防止裂纹
第五章 焊接裂纹
40
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↑
第五章 焊接裂纹
41
固相晶粒之间和固液之间表面张力的
平衡关系为
SS
2 SL
cos 2
SL—固体晶粒与残液之间的表面张力
SS—固体晶粒之间的表面张力
第五章 焊接裂纹
36
例如：强度为600MPa焊条研究
焊缝成分分析
焊缝 C
S
Ｐ Ｍn Si Cr Ni
成分
Ao 0.10 0.037 0.017 0.94 0.54 0.20 0.87
A１ 0.09 0.015 0.014 1.25 0.44 0.19 0.83
注：A１ 焊缝中加入轻稀土１％
第五章 焊接裂纹
T0—称金属的等强温度
T>T0 时， 1 > 0 发生断裂晶间断裂
若焊缝所受拉伸应力为 2 随温度变化始终 不超过 0 ，则不会产生结晶裂纹 2 < 0
若焊缝的拉伸应力为 1， 1> 0产生结晶裂纹
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
第五章 焊接裂纹
45
3、防止结晶裂纹的措施
第五章 焊接裂纹
51
2、特点
1）、发生部位与材料 发生在焊缝中，常见于单相奥氏钢或纯金属的 焊缝金属 裂纹走向：以任意方向贯穿树枝状结晶
2）、常常伴随有再结晶晶粒出现在裂纹附近， 多边化裂纹总是迟于再结晶
3）、裂纹多发生在重复受热金属中（多层焊） 4）、断口呈现出高温低塑性断裂
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
第五章 焊接裂纹
46
2)、工艺方面（减少拉应力）
应变率 , Ee↑、
t
e
T0 ↑应t 变率 ↓
第五章 焊接裂纹
9
晶 间 裂 纹
HAZ液化裂纹
多边化裂纹
第五章 焊接裂纹
10
第五章 焊接裂纹
11
2）、再热裂纹（消除应力处理裂纹）
由于重新加热（热处理）过程中产生称再热 裂纹—消除应力处理裂纹。
第五章 焊接裂纹
12
第五章 焊接裂纹
13
3）、冷裂纹
产生温度：温度区间在+100℃～-75℃之间 存在部位: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
第五章 焊接裂纹
48
液化裂纹
第五章 焊接裂纹
49
3、影响因素
1）、化学成分 2）、工艺因素
4、防止措施
1）、控制S、P等杂质含量 如采用电渣精炼的方法，去除合金中的杂质。 2）、焊接工艺上，采用小线能量，避免近缝 区晶粒粗化
第五章 焊接裂纹
50
五、多边化裂纹
1、形成条件（形成机理）
多边化现象，焊缝金属中存在很多高密 度的位错在高温和应力的共同作用下， 位错极易运动，在不同平面上运动的刃 型位错遇到障碍时可能发生攀移，由原 来的水平组合变成后来的垂直组合，即 形成“位错壁”就是多边化现象。
第五章 焊接裂纹
8
1)、热裂纹分类
a. 结晶裂纹：在凝固的过程--结晶过程中产生
b. 高温液化裂纹：在高温下产生,钢材或多层焊
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
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。
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
第五章 焊接裂纹
47
四、近缝区液化裂纹
1、 产生部位及材料
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。
2、 产生原因
1）、近缝区晶界处存在低熔点杂质 2）、近缝区存在晶间液膜(低熔点共晶体)
第五章 焊接裂纹
4
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 ⑥焊道下裂纹
⑦焊缝内部晶间裂纹 ⑧焊趾裂纹
⑨热影响区焊缝贯穿裂纹⑩焊缝根部裂纹
第五章 焊接裂纹
5
第五章 焊接裂纹
6
分类:
1、 按裂纹分布的走向分
①横向裂纹 ②纵向裂纹
第五章 焊接裂纹
第五章 焊接裂纹
1
ห้องสมุดไป่ตู้
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
2
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
第五章 焊接裂纹
18
三、热裂纹与冷裂纹的基本特点
裂纹 产生温度 产生部位
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
宏观特征
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
微观特征
沿晶粒边界分布，属 晶间断裂，也有穿晶内
于沿晶断裂性质
③星形（弧形裂纹） 2、 按裂纹发生部位分
①焊缝金属中裂纹
纵向裂纹
②热影响区中裂纹
③焊缝热影响区贯穿裂纹
第五章 焊接裂纹
7
3 、按产生本质分类
1）、热裂纹 （高温裂纹） 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
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
断裂，也有晶间和穿晶
混合断裂
第五章 焊接裂纹
本节结束19
§5-2 焊接热裂纹
一、结晶裂纹
1、 产生机理
1）产生部位：结晶裂纹大部分都沿焊缝树 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。
注意： 含碳量C>0.016% P对形成结晶裂纹的作用超
过了S，Mn↑第五无章意焊义接裂纹
35
d)、Si
硅是 相形成元素，利于消除结晶裂 纹 , 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。
貌特征。
第五章 焊接裂纹
3
§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。
43
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。 m
m —在脆性温度区内金属的强度
—在脆性温度内金属所承受的拉伸应力
金属的强度 m 决定于 1 —晶内强度
0—晶间强度
第五章 焊接裂纹
44
T↑ ↓1 0 ↓ T→ T0 1 = 0
②拉伸应力 液态薄膜—根本原因 拉伸应力—必要条件
第五章 焊接裂纹
27
以低碳钢焊接为例可把熔池的结晶分 为以下三个阶段
①液固阶段：（1区）
②固液阶段：这一区 也称为“脆性温度区” 即图上a、b之间的温 度范围 ③固相阶段：也叫 完全凝固阶段
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
37
图2 焊缝冲击断口扫描形貌
焊缝冲击断口SEM形貌
(a)、(b)、(c) 未加入第稀五土章 焊接(d裂)、纹(e)、(f) 加入2%稀土
38
焊缝金属金相组织
a、未加入稀土 b、加入2%稀土
第五章 焊接裂纹
39
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↓
ii)、C>0.16% Mn/S↑无效,加剧P有害作用
裂↑
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↑
含碳量C<0.016% S↑裂↑但加入Mn↑裂↓
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。
第五章 焊接裂纹
32
2、焊接结晶裂纹的影响因素
1）、冶金因素
①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
第五章 焊接裂纹
33
②合金元素
—固相与液相的接触角
当 SL 越小 越小
/ SL 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↓
第五章 焊接裂纹
42
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： 相裂↑ 裂 ↓
线 膨胀系数小于 ，
相变应力↓裂↓
第五章 焊接裂纹
的脆性断裂特征。 微观看：晶间断裂，但也可穿晶（晶内）断裂， 也可晶间和穿晶混合断裂。
第五章 焊接裂纹
14
冷裂纹分类：
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。
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）。
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。
第五章 焊接裂纹
20
第五章 焊接裂纹
结 晶 裂 纹
21
第五章 焊接裂纹
22
第五章 焊接裂纹
23
第五章 焊接裂纹
24
第五章 焊接裂纹
25
第五章 焊接裂纹
26
2）、熔池各阶段产生结晶裂纹的倾向
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。 产生结晶裂纹原因：①液态薄膜
有的塑性时产生裂纹即 es 0
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。
第五章 焊接裂纹
31
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。
日本JWS临界应变增长率CST
CST=(-19.2C-97.2S-0.8Cu-1.0Ni+ 3.9Mn+65.7Nb-618.5B+7.0)*10-4
当 CST 6.5104 时，可以防止裂纹
热裂敏感系数HCS公式
HCS C S P (Si / 25 Ni /100) 103
3Mn Cr Mo V
a)、S、P
i)S、P增加结晶温度区间,脆性温度区间TB↑裂纹↑
ii)S、P产生低温共晶,使结晶过程中极易形成
液态薄膜,因而显著增大裂纹倾向 iii)P、S引起成分偏析.P、S偏析系数K越 大,偏析的程度越严重.偏析可能在钢的局 部地方形成低熔点共晶产生裂纹。
第五章 焊接裂纹
34
b)、C
i)、C<0.1% C↑结晶温度区间↑,裂纹↑