焊接裂纹分析课件

第一节 概述一、焊接裂纹的危害性第五章第五章 焊接裂纹焊接裂纹二、焊接裂纹的分类和特征 焊接裂纹都是在力（外力、内力）的作用下，在焊接接头中力学性能最薄弱的部位发生。根据焊接的钢种、焊接结构和引起裂纹的原因不同，裂纹有各种各样的形态和特征，所以有各种各样的分类方法。裂纹是在焊接高温下(从凝固温度至AC3之间）产生的裂纹，热裂纹常发生在焊缝中，有时也出现在热影响区。1 高温裂纹（热裂纹）高温裂纹（热裂纹）（1）热裂纹一般沿晶界开裂，裂纹周围有氧化色。热裂纹热裂纹（2）热裂纹有与液膜有关的裂纹和与液膜无关的裂纹两大类。热裂纹热裂纹（3）在固相线附近，已凝固的金属收缩，残余液态金属不足以填充这个空间，在应力作用下发生沿晶开裂（图55）。裂纹的横断面上有氧化色。热裂纹热裂纹（4）根据开裂时的温度区间和开裂原因，热裂纹又可分为：（1）结晶裂纹（凝固裂纹）结晶裂纹主要产生在杂质（S、P、C、Si）比较集中的部位。近缝区或多层焊的层间部位，当有较多的低熔点共晶（S、P、C、Si）时，在焊接热循环作用下，虽然金属已经凝固，但这些低熔点共晶仍处于液态，在拉应力作用下沿奥氏体晶界发生开裂（图56）。（2）高温液化裂纹）高温液化裂纹 （热影响区的热裂纹）（热影响区的热裂纹）液化裂纹主要发生在含铬、镍的高强钢和奥氏体钢，尤其是含（S、P、C、Si）偏高时，会增加裂纹倾向。焊缝或近缝区在温度降至固相线稍低一些的高温区，在刚凝固焊缝中存在的大量晶格缺陷（位错、空位等）发生迁移和聚集，形成“多边化边界”。这些部位在高温时的强度和塑性较差，只要有拉伸应力就会形成裂纹。（3）多边化裂纹）多边化裂纹 多边化裂纹主要出现在纯金属或结晶温度区间小的单相固溶体合金。本 章 重 点（2）有时相变的体积膨胀反而抵消焊缝冷却产生的拉应力，降低冷裂倾向。含有Cr、Mo、V、Ti等易形成碳化物、氮化物元素的钢和有Ni3(Al，Ti)相时效强化的镍基合金，焊接加热时发生固溶，冷却时来不及析出。镍铬高强钢、A体钢或镍基合金焊接时，当母材中含S、P、C较多时，在热影响区或多层焊的的层间过热区产生一种沿A体晶界开裂的微裂纹（c5）选用低强度焊条，降低拘束应力。在高温和应力的共同作用下位错极易运动，由高能向低能转化，在晶粒内形成亚晶界（多边化边界），裂纹形核在凝固的柱状晶的多边化边界上（图535）。产生SCC的部位必定存在拉应力。产生热裂纹的原因是晶间存在液态薄膜和在凝固过程中存在拉伸应力。淬硬倾向很大的钢在冷速较快时生成脆性较大的M体组织。钢在压轧过程中会存在纤维组织结构，使钢横向抗拉强度低于纵向抗拉强度，若此时钢板承受垂直方向拉力就会出现层状裂纹。解理断裂一般属于脆性断裂，通常只发生在体心立方和六方晶格。5）选用低强度焊条，降低拘束应力。淬硬倾向很大的钢在冷速较快时生成脆性较大的M体组织。也就是说，粗晶区的应力集中部位的变形量超过了该部位的塑性变形能力（2）固液阶段（固多于液）氢在A体不锈钢中溶解度大，扩散速度小，也不会产生氢致裂纹（表56）。另外还存在一个“下临界应力Lc”,低于此应力值拉伸时间再长也不会断裂。有些高温合金或奥氏体耐热钢在高温下延性丧失而产生的高温裂纹，形成温度约在1000850。（4）高温低延迟裂纹高温低延迟裂纹 再热裂纹多发生在厚板和含有某些沉淀强化的低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢和某些镍基合金等的热影响区的粗晶区，产生裂纹的温度约在550650。2 再热裂纹再热裂纹（焊后热处理裂纹、消除应力退火裂纹）（焊后热处理裂纹、消除应力退火裂纹）（SR裂纹，裂纹，Stress-relief Cracking）高强钢在焊后消除应力退火热处理或在高温下使用时，在热影响区的粗晶部位产生的裂纹，裂纹特征也是沿晶开裂（图58）。（1）焊接线能量：过大线能量E引起近缝区晶粒粗大，降低抗裂性能，尤其是有粗大M体时更有害。淬硬倾向越大越易产生裂纹，原因在于：由拘束力淬硬组织氢的共同作用下产生。焊接接头坡口型式对拘束应力影响很大，由小到大的排列顺序是正Y、X，斜Y、K。（4）双相不锈钢焊缝（奥氏体A铁素体）设计焊缝时只要cr（或R crR）就可以认为是安全的。主要发生在中高碳钢、合金钢等的热影响区和厚板多层焊的焊缝中，并发生在拘束度较大的T形接头和十字形接头应力集中较大的接头上（表8）。Tp=455.只有在uc和Lc之间的应力才会出现氢致延迟断裂（图549）。由于氢在M体中扩散系数最小，造成氢集聚。1）氢气泡是从一些应力集中最严重的显微裂纹处冒出来，应力越大，氢气泡逸出越激烈；焊接接头形式对接头的受力状态、结晶条件和热的分布影响很大，因而结晶裂纹倾向也不同（图526）。（1）控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质含量这些部位在高温时的强度和塑性较差，只要有拉伸应力就会形成裂纹。金属在正应力作用下，沿一定晶面（解理面）发生穿晶断裂。含碳量越高，S的偏析越严重，热裂的危害就越大（图523）。M M+e各种状态图对产生结晶裂纹倾向的规律（图520）。焊缝冷却至较低温度（Ar3）再产生的裂纹叫冷裂纹。主 要 发 生 在 高 强 钢，在 钢 的 Ms转 变 温 度 范 围（200300）。3 低温裂纹（冷裂纹低温裂纹（冷裂纹cold cracking）（1）冷裂纹是在拘束力、淬硬组织和氢的共同作用下而产生的，主要发生在热影响区，断口呈脆性穿晶断裂。冷裂纹可以在焊后立即出现，也可能在焊后很长时间才能发生（延迟性）。冷裂纹大致可分为三类：（1）延迟裂纹（氢脆裂纹）焊后经过一段孕育期后再产生裂纹（图59），取决于钢的淬硬性、焊接接头的应力状态和焊缝中的扩散氢含量。冷裂纹冷裂纹（1）淬硬倾向很大的钢在冷速较快时生成脆性较大的M体组织。在M体相变过程中，产生很大的应力，此时若再加上拘束力（热应力、外力），就极易发生裂纹（图510）。淬火裂纹没有延迟现象，可在焊后立即发生。（2）淬火裂纹）淬火裂纹 淬火裂纹可采用焊前预热、焊后缓冷和使用高韧性焊条等措施解决。某些塑性较低的材料（主要是抗拉强度低的材料，如铸铁，硬质合金等），冷至低温时，由于收缩力而引起的应变超过了材质本身的塑性造成的裂纹。如铸铁补焊、堆焊硬质合金。这种裂纹一般出现在热影响区的熔合线或过热区，没有延迟现象。（3）低塑性脆化裂纹）低塑性脆化裂纹 层状撕裂多发生在低温400（应力大、塑性差），拘束力较大的接头（T型、十字型、角接头）。如果焊缝中有缺陷，如微裂纹、气孔、咬边、未焊透等，在应力作用下，这些缺陷就是裂纹源，形成层状撕裂。4 层状撕裂层状撕裂 轧制钢材内部有一些平行轧制方向的层状夹杂物（硫化物、氧化物），在有拘束力的大型焊接构件中，如果焊缝产生的应力垂直于轧制方向，会使热影响区中产生“台阶”形的层状开裂，并可穿晶扩展（图511）。应力腐蚀裂纹大多属于晶间断裂，是一种脆性断口（图512）。5 应力腐蚀裂纹（腐蚀应力腐蚀裂纹（腐蚀+应力）应力）在腐蚀介质中使用的焊接构件（如容器、管道等），如果存在拉伸应力（工作应力或残余应力），会产生延迟破坏的现象，叫应力腐蚀裂纹。影响应力腐蚀裂纹的因素有材质、腐蚀介质种类、结构的形状、受力状态、焊接工艺、应力消除程度等。各种裂纹分类表（表5-1）。一、结晶裂纹的形成机理 有的结晶裂纹是沿焊缝中心纵向开裂（图514），也有沿焊缝中的树枝晶之间界面处发生和发展的结晶裂纹（图513），有时也发生在焊缝内部两个树枝状晶体之间（图515），这说明在结晶过程中晶界是最薄弱的部位。第二节第二节 焊接热裂纹焊接热裂纹 由于先结晶的固相金属较纯，后结晶的金属含杂质多，并富集在晶界。这些杂质容易形成低熔点共晶（见表52），最后被推向晶界，在晶粒之间形成一个液态薄膜。如果此时有拉伸应力存在就会产生裂纹（图516）。结晶裂纹的形成机理结晶裂纹的形成机理（1）产生热裂纹的原因是晶间存在液态薄膜和在凝固过程中存在拉伸应力。在整个结晶过程中，从液到固可分为三个阶段：（1）液固阶段（液多于固）液态金属可在固态金属中自由流动，此时既使有拉伸应力也不会产生裂纹。结晶裂纹的形成机理结晶裂纹的形成机理（2）*抗裂性（2）固液阶段（固多于液）随着固态金属量增加，剩余的液态金属多为低熔点共晶，流动也发生困难。这时若有拉伸应力产生的小裂纹将无法靠液态金属填充，成为一个“裂纹源”。此阶段也叫“脆性温度区”。结晶裂纹的形成机理结晶裂纹的形成机理（3）（3）完全凝固阶段 完全凝固后金属有较好的强度和塑性，既使有拉伸应力也难以产生裂纹。*抗裂性结晶裂纹的形成机理结晶裂纹的形成机理（4）在拉伸应力作用下，金属发生（弹）塑性变形e（e=f(T)），若用p表示在脆性温度区TB内焊缝金属的塑性*（p=(T)），则在焊缝金属凝固过程中存在的最小塑性值为Pmin。*抗裂性 因此，产生结晶裂纹的条件是：（1）如果e Pmin，则不会产生裂纹（图518线1）。(e Pmin，则必将产生裂纹（图518线3）。(e es)结晶裂纹的形成机理结晶裂纹的形成机理（5）设计焊缝时只要cr（或R crR）就可以认为是安全的。后热处理的有利作用：选用具有抗层状撕裂的钢，控制夹杂物的形态。由于A体溶氢量大但扩散系数小，所以在热影响区的A体转变成M体，过饱和的氢则保留在M体组织中，从而在熔合线附近形成富氢地带，提高氢脆敏感性。（4）双相不锈钢焊缝（奥氏体A铁素体）加入细化晶粒元素（Ti、Mo、V、Nb）细化晶粒。（3）氢在致裂过程中的动态行为（1）电化学应力腐蚀开裂机理焊接线能量越大，晶界脆化区T越宽，晶界上低熔相熔化越严重，晶界处于液态的时间就越长，液化裂纹倾向就越大。（4）发生在热影响区或远离热影响区的母材中。只有在uc和Lc之间的应力才会出现氢致延迟断裂（图549）。（2）预热温度（1）（1）氢的来源及焊缝中的含氢量x=(10P+5Sb+4Sn+As)/100(ppm)焊接构件在应力作用下，表面会因大的塑性变形而产生“滑移台阶”。在焊后冷却过程中，除一部分氢从表面逸出外，还向热影响区方向扩散。液化裂纹起源于近缝区的两个部位：c结晶裂纹的形成机理（2）弯曲拘束度越大，越不易产生根部裂纹。氢致裂纹试验方法、现象及结论：因此焊缝能否产生结晶裂纹主要取决于：（1）脆性温度区TB的大小：焊缝停留在这个温度段的时间越长，产生结晶裂纹的倾向就越大。TB与焊缝化学成分、共晶的熔点及分布等有关。（TB的大小）结晶裂纹的形成机理结晶裂纹的形成机理（6）结晶裂纹的形成机理结晶裂纹的形成机理（7）（2）脆性区内金属的塑性：Pmin越小越易产生结晶裂纹。Pmin与焊缝化学成分、偏析程度、晶粒大小、应变速率等有关。（Pmin的大小）（3）在脆性温度区内的应变增长率：温度下降使收缩产生的拉伸应力增大，应变增长率也加大，容易产生结晶裂纹。应变增长率大小取决于金属的膨胀系数、接头的拘束度、温度场等。（e的大小）产生热裂纹必须具备冶金因素（成分、偏析）和力的因素（金属热物理性质、焊件拘束度、焊接工艺等）。结晶裂纹的形成机理结晶裂纹的形成机理（8）（1）相图类型和结晶温度区的大小 相图的结晶温度区间越大（即液态存在的时间越长），产生热裂纹的可能性越大（图519）。影响相图结晶温度区间大小与合金的含量有关。1 冶金因素对结晶裂纹的影响冶金因素对结晶裂纹的影响 影响因素有相图类型、化学成分、结晶组织形态。相图类型和结晶温度区的大小相图类型和结晶温度区的大小（2）由于焊接是在非平衡条件下结晶，结晶温度区间要偏离平衡条件下的结晶温度区间，因此最大结晶裂纹可能发生在低合金含量区（图519虚线）。各种状态图对产生结晶裂纹倾向的规律（图520）。相图类型和结晶温度区的大小相图类型和结晶温度区的大小（3）对凝固温度范围的影响；a)对形成低熔点相的影响（尤其是S、P）对产生结晶裂纹的影响比较大的合金是一些能形成低熔点共晶的合金元素，熔点越低、数量越大，裂纹倾向越大。（2）合金因素对产生结晶裂纹的影响）合金因素对产生结晶裂纹的影响（1）2）采用高质量钢降低S、P、O、N杂质含量。少量相在A体焊缝可起到两个作用：3 液化裂纹的防治在高温和应力的共同作用下位错极易运动，由高能向低能转化，在晶粒内形成亚晶界（多边化边界），裂纹形核在凝固的柱状晶的多边化边界上（图535）。5）选用低强度焊条，降低拘束应力。Cr是铁素体形成元素，Ni是扩大A体元素，控制A体不锈钢中Cr、Ni含量可调整焊缝中相比例。根据腐蚀介质选择合理的焊接材料，使焊缝成分与组织和母材尽量一致。根据构件的碳当量、氢含量和板厚可以估算冷裂纹的敏感性：因此，氢致裂纹的扩展是与氢的扩散偏聚有密切联系的间歇进行的过程，是由许多单个的微裂纹断续合并而形成的宏观裂纹（图552）。各种组织对裂纹的敏感性由弱到强的排列顺序为：F或PBL（下贝氏体）ML（低碳M体）BH（上贝氏体）Bg（粒贝氏体）MAMr（高碳挛晶M体）。（b）焊缝塑性高（40%），可减小接头拘束应力。只有在uc和Lc之间的应力才会出现氢致延迟断裂（图549）。轧制钢材内部有一些平行轧制方向的层状夹杂物（硫化物、氧化物），在有拘束力的大型焊接构件中，如果焊缝产生的应力垂直于轧制方向，会使热影响区中产生“台阶”形的层状开裂，并可穿晶扩展（图511）。（1）控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质含量因此焊缝能否产生结晶裂纹主要取决于：各种状态图对产生结晶裂纹倾向的规律（图520）。（3）层状撕裂与钢种强度无关，主要与钢中的夹杂物数量及其分布形态有关。式中：t0常数（与冷速和晶体位向有关），u激活能（和成分有关），R气体常数，T温度（1）延迟裂纹（氢脆裂纹）根据焊接接头拘束力的受力情况，有拉伸拘束度RF和弯曲拘束度RB。1）硫、磷：S、P可扩大Fe的结晶区间（图521），并能与Fe形成多种低熔点共晶。合金因素对产生结晶裂纹的影响合金因素对产生结晶裂纹的影响（2）（2）仅发生在焊缝金属之中。若G0，则易发生再热裂纹。在腐蚀介质作用下，新鲜金属被快速溶解，发生SCC裂纹（图5102）。1 多边化裂纹的形成机理（1）焊接线能量：过大线能量E引起近缝区晶粒粗大，降低抗裂性能，尤其是有粗大M体时更有害。含有沉淀强化元素（Cr、Mo、Ti、Nb）的高强钢和高温合金在焊后消除应力热处理中或在500600长期工作过程中出现的裂纹，也称为“消除应力裂纹”。V、Nb、Ti含量对再热裂纹的影响。当温度大于T0时，G0。（2）金属组织对氢扩散的影响淬硬倾向很大的钢在冷速较快时生成脆性较大的M体组织。焊接接头的Rcr值越大，该接头的抗裂性越强。（b）焊缝塑性高（40%），可减小接头拘束应力。此阶段也叫“脆性温度区”。液化裂纹起源于近缝区的两个部位：杂质越多T越宽，材料抗液化裂纹性能越差。结晶组织对结晶裂纹的影响（2）液化裂纹起源于近缝区的两个部位：另外还存在一个“下临界应力Lc”,低于此应力值拉伸时间再长也不会断裂。H D=V0/P 100%多层焊缝的裂纹倾向比单层焊缝小，因为 S和P是钢中极易偏析的元素（表53），即使存在微量也会产生热裂纹，对产生裂纹倾向很大。某种元素在钢中的偏析度K *或用K表示 K和K值越大偏析越严重。合金因素对产生结晶裂纹的影响合金因素对产生结晶裂纹的影响（3）2）碳：硫在相中的溶解度大于相（表54），所以含碳 0.10（有包晶反应）的钢易发生热裂。合金因素对产生结晶裂纹的影响合金因素对产生结晶裂纹的影响（4）碳是易偏析元素，并能加剧其它元素的有害作用（如S、P等）。3）锰：Mn有脱硫作用，生成高熔点MnS（1600），产生的MnS为球状。合金因素对产生结晶裂纹的影响合金因素对产生结晶裂纹的影响（5）随着钢中含碳量增加，Mn/S也应提高。否则影响Mn的脱硫效果。含碳量越高，S的偏析越严重，热裂的危害就越大（图523）。4）硅：Si是脱氧元素，但焊缝中Si0.4时，容易形成硅酸盐夹杂，造成裂纹源，从而增加裂纹倾向。合金因素对产生结晶裂纹的影响合金因素对产生结晶裂纹的影响（6）5）钛、锆、稀土：Ti、Zr、RE脱硫的效果比Mn好得多，有良好的消除结晶裂纹作用，但它们也是强脱氧元素。氧化稀土也有脱硫作用。6）镍：Ni和S形成低熔点共晶（NiS2 645），易于引起结晶裂纹。为了能根据化学成分判断焊缝结晶裂纹的倾向大小，有许多定量的判据，如热裂敏感系数（HCS）当HCS0。力学因素对产生结晶裂纹的影响力学因素对产生结晶裂纹的影响（2）综上所述，裂纹是冶金因素和力学因素共同作用的结果。焊接发生的结晶裂纹（热裂纹）都在T0以上温度。如果此时焊缝承受的拉伸应力1大于0，则会产生裂纹。1 冶金因素（1）控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质含量 尽量减少低熔点共晶的数量。S、P的最大含量取决于被焊金属，一般低碳钢、低合金钢S、P0.05，高合金钢0.04，不锈钢0.02或更低。对重要焊接构件应采用碱性焊条或焊剂，以进一步减小有害杂质含量。三、三、防止结晶裂纹的措施防止结晶裂纹的措施 从冶金因素和工艺因素（减少应力）两方面着手。加入细化晶粒元素（Ti、Mo、V、Nb）细化晶粒。（2）改善焊缝组织）改善焊缝组织 对A体不锈钢焊接可采用A+双相组织焊缝（5），以减少结晶裂纹和提高焊缝抗晶间腐蚀能力。对结晶裂纹倾向较大的材料（如高强铝合金），特意在焊条中加入能生成低熔点共晶合金（如Si），使之有“愈合”裂纹作用。选用合理的焊接工艺，如焊接工艺参数、预热、接头型式、焊接顺序等，目的是尽量减少焊缝的拉伸应力。2 抗热裂的工艺措施抗热裂的工艺措施（1）焊接工艺参数 焊接热循环产生的拉伸应力引起应变为，则单位温度变化引起的应变是：式中：t温度；膨胀系数；c冷速。2）过热区：晶粒粗大引起晶界少，母材S、P、C较多时易形成晶间液体，在力的作用下产生裂纹。因焊缝的含碳量低于母材，所以焊缝的固态相变优先于母材热影响区发生。对凝固温度范围的影响；这时若有拉伸应力产生的小裂纹将无法靠液态金属填充，成为一个“裂纹源”。线能量过小易使热影响区淬硬，也不利于氢逸出。电子e在阴极，与介质中的H+结合成氢原子H各种组织对裂纹的敏感性由弱到强的排列顺序为：F或PBL（下贝氏体）ML（低碳M体）BH（上贝氏体）Bg（粒贝氏体）MAMr（高碳挛晶M体）。随着钢中含碳量增加，Mn/S也应提高。（1）焊接线能量：过大线能量E引起近缝区晶粒粗大，降低抗裂性能，尤其是有粗大M体时更有害。Tp=455.金属的强度是金属内部各晶粒强度的集合，取决于晶内强度G和晶界强度0，它们都随温度升高而降低（图525），但0下降大于G。裂纹沿熔合线母材侧的A体粗晶晶界扩展，至细晶区止裂（图574）。本 章 重 点（2）少量相在A体焊缝可起到两个作用：除去载荷，氢气泡的逸出停止。（c）焊缝强度低，避免在承受主应力的焊缝采用A体钢。AFC一般发生在奥氏体不锈钢的SCC裂纹；（1）焊接工艺参数（1）第三节 焊接冷裂纹也就是说，粗晶区的应力集中部位的变形量超过了该部位的塑性变形能力对于厚板对于薄板 式中Tc某瞬间温度；T0初始温度；E焊接线能量；导热系数；C比热容；e密度。（1）焊接工艺参数焊接工艺参数（1）则对厚板 对薄板 式中：Tc瞬间温度；T0初始温度；E线能量，C比热容；导热系数。由这二式可见，适当增加线能量E和提高预热温度，可降低冷却速度，减少焊缝金属的应变，从而降低结晶裂纹倾向。焊接工艺参数焊接工艺参数（2）多层焊缝的裂纹倾向比单层焊缝小，因为1）每层焊接线能量小；2）前几道焊缝冷凝后起到拘束作用。（2）接头形式接头形式 焊接接头形式对接头的受力状态、结晶条件和热的分布影响很大，因而结晶裂纹倾向也不同（图526）。接头处应尽量避免应力集中（错边、咬肉、未焊透）*一般顺序原则：对称焊，分散应力，最后一道才是拘束封闭（图527,28）。（3）焊接次序）焊接次序回转变形及终端裂纹回转变形及终端裂纹 镍铬高强钢、A体钢或镍基合金焊接时，当母材中含S、P、C较多时，在热影响区或多层焊的的层间过热区产生一种沿A体晶界开裂的微裂纹（或R crR）就可以认为是安全的。2 拘束应力影响拘束应力影响（1）表511是常用焊接结构钢在承受一维拉伸条件下的临界拘束度R cr。拘束应力影响拘束应力影响（2）在焊后冷却过程中，除一部分氢从表面逸出外，还向热影响区方向扩散。在扩散过程中，在一些塑性应变和微观缺陷部位发生氢聚集（应力集中高的部位的氢浓度高于平均值的5倍多），使这个部位很快达到临界氢浓度。3 氢的影响（氢在焊缝中的行为）氢的影响（氢在焊缝中的行为）（1）采用软质焊缝、改变坡口的形式（避免有应力集中的部位，如圆滑过渡）和预热、后热等措施均可降低氢的聚集。氢的影响（氢在焊缝中的行为）氢的影响（氢在焊缝中的行为）（2）氢常在熔合区附近聚集，而且在焊后最初10分钟内聚集速度最快。（1）焊接线能量：过大线能量E引起近缝区晶粒粗大，降低抗裂性能，尤其是有粗大M体时更有害。但对于低碳低合金钢适当增大线能量是有利的。线能量过小易使热影响区淬硬，也不利于氢逸出。4 焊接工艺对冷裂纹的影响焊接工艺对冷裂纹的影响（1）预热可以有效防止冷裂纹，但温度过高会增加附加应力（因是局部加热），反而增加冷裂倾向。所以预热温度主要是从降低冷速，减小淬硬倾向考虑。低合金高强钢的预热温度经验公式为：T()=324Pcm+17.7H+0.14b+4.72214 也可以根据钢的Pcm和板厚，可从图567查出所需的预热温度。（2）预热温度预热温度（1）预热温度预热温度（2）也可以根据钢的碳当量Pcm和板厚，可从图567查出所需的预热温度。由于冷裂纹存在潜伏期，所以要在裂纹产生前进行加热处理。尤其是对不预热的焊件，要及时热处理，温度要高。后热处理的有利作用：1）改善组织，提高韧性，减小淬硬性；2）减低残余应力；3）消除扩散氢；4）降低预热温度（表512）。（3）焊后热处理焊后热处理（1）为了防止延迟裂纹，焊后热处理的最低温度Tp Tp=455.5Ceqp111.4式中：Ceqp碳当量。焊后热处理焊后热处理（2）焊后热处理温度越高，所需的时间越短（图570）。用焊后热处理消除高强钢残余应力必须采用高温。如60kg级高强钢300后热仅能消除40残余应力。超高强钢仅能消除11残余应力。焊后热处理焊后热处理（3）对于A体焊缝，焊后热处理不会得到脱氢的效果。高温焊后热处理要注意再热裂纹的问题。后一道焊缝对前一道焊缝进行了热处理，有利于氢的逸出，组织的改善，可防止冷裂纹产生。但要在第一层焊缝尚未产生根部裂纹的潜伏期内完成第二道焊接。（4）多层焊多层焊 根据钢的冷裂纹敏感性Pw，焊的层数越多，预热温度越低（图571）。焊接的冷却速度可作为冷裂敏感性的判据。如果t100tcr即可避免冷裂纹产生。国产低合金高强钢tcr判据公式（5）冷却速度的影响）冷却速度的影响影响影响t100和的和的tcr各项因素各项因素（图573）（1）冶金方式：1）采用低碳微量合金元素强化，既提高强度，又保证金属有一定的韧性。2）采用高质量钢降低S、P、O、N杂质含量。3）采用碱性低氢焊接材料。4）CO2焊获得低氢焊缝。5）选用低强度焊条，降低拘束应力。6）用A体焊条焊接淬硬倾向较大的中碳调质钢。5 防止冷裂纹的途径防止冷裂纹的途径（a）能固溶氢，限制氢向近缝区扩散。（b）焊缝塑性高（40%），可减小接头拘束应力。（c）A体膨胀系数大，焊缝冷至450左右可产生较大的瞬时应力，致使近缝区产生很大的塑性应变，促使M体提高Ms转变而增大其自回火性能，从而提高抗裂性。A体钢焊条能降低冷裂纹的原因体钢焊条能降低冷裂纹的原因（1）用A体焊条焊接时应注意：（a）用小电流焊接，否则熔合比增大使边界过渡层的Cr、Ni稀释，在过渡层形成M体，产生冷裂纹。（b）仍要控制氢含量，否则在近缝区仍可发生冷裂纹。（c）焊缝强度低，避免在承受主应力的焊缝采用A体钢。A体钢焊条能降低冷裂纹的原因体钢焊条能降低冷裂纹的原因（2）焊前预热，焊后热处理，多层焊，避免焊接缺陷（未焊透、咬肉、夹杂、气孔），焊接接头形式，施焊顺序等。（2）工艺方面）工艺方面第四节第四节 再热裂纹再热裂纹 含有沉淀强化元素（Cr、Mo、Ti、Nb）的高强钢和高温合金在焊后消除应力热处理中或在500600长期工作过程中出现的裂纹，也称为“消除应力裂纹”。（1）产生在近缝区的粗晶区，属于晶间断裂。裂纹沿熔合线母材侧的A体粗晶晶界扩展，至细晶区止裂（图574）。一、一、再热裂纹的特征再热裂纹的特征（1）（2）加热前焊接接头存在残余应力和应力集中，应力集中系数K越大，产生再热裂纹所需的临界应力cr越小（图575）。再热裂纹的特征再热裂纹的特征（2）（4）再热裂纹发生在含有一定沉淀强化元素的钢。再热裂纹的特征再热裂纹的特征（3）（3）存在易产生再热裂纹的敏感温度区（图576），如低合金一般在500700，A体钢在700900。焊后热处理时，残余应力松弛导致晶界优先滑动，结果造成裂纹发生和扩展。也就是说，粗晶区的应力集中部位的变形量超过了该部位的塑性变形能力 c式中：粗晶区局部晶界实际塑变量；c晶界能承受的量。二、二、再热裂纹机理再热裂纹机理（1）晶界滑动可能是晶内强化（晶内二次硬化），也可能是晶界弱化（晶界杂质析出弱化）。含有Cr、Mo、V、Ti等易形成碳化物、氮化物元素的钢和有Ni3(Al，Ti)相时效强化的镍基合金，焊接加热时发生固溶，冷却时来不及析出。焊后再加热时，晶内析出这些碳化物、氮化物和沉淀相，造成晶内二次硬化。这时发生的应力松弛变形就集中在晶界。当晶界塑性不足时，就会产生再热裂纹。定量评定各合金元素对再热裂纹敏感性的经验公式 G=Cr+3.3Mo+8.1V2 若G0，则易发生再热裂纹。再热裂纹机理再热裂纹机理（2）再热裂纹处有杂质在晶界析集，所以再热裂纹可能是杂质在晶界析出而造成晶界本身弱化（图579）。杂质越多，再热裂纹的敏感性越大。2 晶间杂质析集弱化作用晶间杂质析集弱化作用 可以用“脆性因子x”表示杂质对回火脆性的影响 x=(10P+5Sb+4Sn+As)/100(ppm)x越大，回火脆性越大。1 冶金因素（1）化学元素对再热裂纹的影响 Cr、Mo含量对再热裂纹的影响。C含量对再热裂纹的影响。V、Nb、Ti含量对再热裂纹的影响。三、再热裂纹的影响因素及防治三、再热裂纹的影响因素及防治化学元素对再热裂纹的影响（2）从再热裂纹敏感性判据式可看出化学元素对发生裂纹影响 G=Cr+3.3Mo+8.1V2 晶粒越粗大，越容易产生再热裂纹（图587）。（2）钢的晶粒度焊接接头不同部位发生再热裂纹的可能性见表513。（3）焊接接头不同部位发生再热裂纹的可能性）焊接接头不同部位发生再热裂纹的可能性（1）焊接线能量E E过大可造成过热区晶粒粗大，易发生裂纹；但E太小造成冷速加大可形成硬脆组织，也易开裂。2 焊接工艺因素焊接工艺因素 防止再热裂纹比防止冷裂纹需要更高的预热温度（表514）。（2）预热及后热的影响）预热及后热的影响 适当降低焊缝强度以提高其塑性变形能力，减轻近缝区塑性应变的集中程度，有利于降低再热裂纹敏感性（图588）。（3）选用低强度焊缝）选用低强度焊缝 有时仅在焊缝表面用低强高塑性抗再热裂纹焊条盖面即可达到防裂作用。结构设计合理，焊缝避免出现咬边、未焊透、加强高过高等应力集中的缺陷。（4）降低残余应力和避免应力集中 钢在压轧过程中会存在纤维组织结构，使钢横向抗拉强度低于纵向抗拉强度，若此时钢板承受垂直方向拉力就会出现层状裂纹。第五节第五节 层状撕裂层状撕裂（1）发生在钢的内部，沿轧制方向开裂，呈阶梯状。一、一、层状撕裂的特征层状撕裂的特征（1）（2）常出现在T形接头、角接头、十字接头、焊趾和焊根等拘束力大的部位（图589）。（3）层状撕裂与钢种强度无关，主要与钢中的夹杂物数量及其分布形态有关。（4）发生在热影响区或远离热影响区的母材中。层状撕裂的特征层状撕裂的特征（2）1 形成机理 厚板焊接时，在有强制拘束条件的部位，焊缝收缩时会在母材厚度方向产生很大的拉应力和应变，若此处有纵向夹杂物则会发生分离产生微裂。若应力继续存在，裂纹则扩展。若两个相邻的裂纹不在一个平面上，则产生剪切应力，造成剪切断裂，形成剪切壁。连在一起的平台和剪切壁构成了阶梯状的层状撕裂（图592）。二、二、层状撕裂形成机理及影响因素层状撕裂形成机理及影响因素（1）非金属夹杂物：夹杂物的分布、数量、形态和种类是造成层状撕裂的主要因素，其中硫化物、硅酸盐夹杂呈条形分布时危害最大（图590）。2 影响因素影响因素（2）Z向拘束应力：焊接厚壁构件时，当Z向应力大于临界拘束应力zcr时便产生层状撕裂。拘束力越大，越易造成开裂。2 设计和工艺措施，尽量减小Z向应力（图596）。四、四、防止措施防止措施1 钢材 选用具有抗层状撕裂的钢，控制夹杂物的形态。在拉应力和腐蚀介质同时存在情况下发生的一种裂纹。第六节第六节 应力腐蚀裂纹（应力腐蚀裂纹（SCC裂纹）裂纹）一、应力腐蚀裂纹特征1 应力腐蚀裂纹的分布 在焊缝表面，多以横向裂纹出现（图597），从内部看裂纹形态如同树根一样（图598）。SCC裂纹断口属于典型的脆性断口（图599）。1 应力腐蚀裂纹的分布 产生SCC的部位必定存在拉应力。由于焊接结构不可避免地存在残余应力，所以在有腐蚀介质的环境中就会发生SCC裂纹。2 SCC裂纹的产生与应力裂纹的产生与应力1 电化学应力腐蚀开裂机理 应力腐蚀开裂分为（1）阳极溶解腐蚀开裂（AFC）（图5100）在应力作用下，阳极发生M+溶解。M M+e AFC一般发生在奥氏体不锈钢的SCC裂纹；二、二、产生应力腐蚀裂纹的机理产生应力腐蚀裂纹的机理 电子e在阴极，与介质中的H+结合成氢原子H H+e H 氢原子向金属中扩散，造成脆化开裂。HEC一般发生在低碳钢、低合金高强钢的SCC裂纹。（2）阴极氢脆开裂（）阴极氢脆开裂（HEC）（图5100）阳极电流密度ia越大，金属溶解越强，则腐蚀开裂所需的时间tf越短（图5101）。电化学应力腐蚀开裂机理电化学应力腐蚀开裂机理 焊接构件在应力作用下，表面会因大的塑性变形而产生“滑移台阶”。当滑移台阶较高时，使金属表面氧化膜破裂，露出新鲜金属。在腐蚀介质作用下，新鲜金属被快速溶解，发生SCC裂纹（图5102）。2 机械破裂应力腐蚀开裂机理机械破裂应力腐蚀开裂机理1 组装 避免因强制组装产生很大的残余应力。四、应力腐蚀裂纹的影响因素及其防治四、应力腐蚀裂纹的影响因素及其防治（1）2 焊接材料 根据腐蚀介质选择合理的焊接材料，使焊缝成分与组织和母材尽量一致。3 焊接工艺 制定合理的焊接工艺，如焊接线能量、焊接顺序、坡口形式等，防止焊接热影响区硬化（图5106）和晶粒粗大，并避免产生过大的残余应力和应力集中。应力腐蚀裂纹的影响因素及其防治应力腐蚀裂纹的影响因素及其防治（2）5 表面改质 利用表面工程技术，在与腐蚀介质接触一侧涂敷耐蚀涂层，提高抗SCC能力。4 焊后消除应力 焊后热处理可消除应力，有效防止SCC（图5107）。应力腐蚀裂纹的影响因素及其防治应力腐蚀裂纹的影响因素及其防治（3）一、宏观分析及判断1 现场调查：保护现场和断口，了解焊件实际工作条件、运行情况、周围环境。第七节第七节 焊接裂纹综合分析和判断焊接裂纹综合分析和判断焊接裂纹（断裂）分析分宏观分析和微观分析两大类。2 材质检验：金相组织、缺陷（气孔、夹杂、未焊透）、复验化学成分（尤其是C、S、P）、杂质偏析，复验机械性能。宏观分析及判断宏观分析及判断（2）3 工艺检查：焊接坡口的加工精度，焊缝是否强制组装，焊缝的外观是否有缺陷，特别注意咬肉、错边等应力集中处。焊接工艺参数是否合理，如焊前清理、预热温度、焊接顺序、焊接线能量、焊后热处理参数等。4 断口观察：断口颜色（热、冷裂颜色不一样）、断口形式（塑、脆断）、裂纹源特征、裂纹扩展方向.6 设计校核：校核设计应力是否正确，布局是否合理，应把加工、焊接时产生缺陷造成应力集中以及由于温度、腐蚀介质等环境导致的材料性能恶化考虑进去进行校算。宏观分析及判断宏观分析及判断（3）5 焊接构件的运行情况：焊接构件的服役环境，运行过程中的管理，有无腐蚀介质、高温、高压（再热裂纹、蠕变疲老）、动载疲劳等。常用的显微分析方法有：1 OM、SEM：显微观察断口（脆断、韧断、疲断、夹杂、裂纹源）；2 EDX、AES：断口局部成分（夹杂、偏析）；3 XRD：材料的结构分析，用得较少。其中以光学显微镜（OM）观察分析为主。主要是根据裂纹的特征，裂纹周边的组织等，确定裂纹的性质和产生原因。二、二、裂纹微观分析及判断裂纹微观分析及判断（1）1 热裂纹 出现在各种强度较低的低碳钢、低合金钢、不锈钢、铝合金等。热裂纹主要发生在焊缝中，具有沿晶开裂的特征（图5108），有时带有氧化色。裂纹微观分析及判断裂纹微观分析及判断（2）2 冷裂纹 出现在高强钢的焊接热影响区，同时存在粗晶淬硬组织。根据材质、氢含量、受力状态等条件，裂纹走向有时穿晶，有时沿晶（图5109）。裂纹微观分析及判断裂纹微观分析及判断（3）3 再热裂纹 发生在含有一定沉淀强化元素钢近缝区的粗晶区，有一个裂纹敏感温度区，加热前焊接接头有大的残余应力，属于典型晶间断裂。裂纹走向是沿过热粗晶的边界扩展至细晶区即止裂（图5110）。裂纹微观分析及判断裂纹微观分析及判断（4）4 层状撕裂：发生在纤维组织的母材中，撕裂沿硫化物夹杂呈梯形扩展。裂纹微观分析及判断裂纹微观分析及判断（5）5 应力腐蚀裂纹：发生在有拉伸应力和腐蚀介质同时存在的焊缝。裂纹的形态如同树根一样，沿晶或穿晶裂纹，断口属于脆性断口。根据断口的特征判断断裂失效原因。三、断口分析及判断三、断口分析及判断（1）1 焊接裂纹的断裂形式及断口形态（1）韧窝断裂：属于典型的韧性断口形态。在外力作用下，金属内析出物、夹杂物的颗粒处形成显微空穴（韧窝），微孔逐渐长大，直至断裂（图5114）。金属在正应力作用下，沿一定晶面（解理面）发生穿晶断裂。（2）解理断裂）解理断裂 解理断裂一般属于脆性断裂，通常只发生在体心立方和六方晶格。解理断口有解理台阶、河流花样、舌状花样等各种形态（图5116）。断口既有穿晶脆性断口的特征，又有塑性变形的撕裂棱（图5117）。其形成过程见图5118。（3）准解理断裂准解理断裂 因晶界是晶体最薄弱的部位，在力的作用下（外力、热应力、内应力等），沿多晶体的晶界彼此分离。沿晶断裂属于脆性断裂，断口形貌呈冰糖状，宏观上断口平齐，无明显塑性变形，表面呈晶粒状，在小平面上有光泽（图5119）。（4）沿晶断裂沿晶断裂 根据产生裂纹的温度区间，可分为（1）高温区的结晶裂纹（14001350）（2）低温区的低塑裂纹（1300）。2 热裂纹的断口形貌热裂纹的断口形貌（1）结晶裂纹表面微观形貌是呈液滴状的胞状树枝晶（图5120b）。随着温度降低，断口表面逐渐平坦，有少量的柱状晶的残留液体痕迹（图5120c,d）。热裂纹的断口形貌热裂纹的断口形貌（2）主要是准解理、沿晶和少量韧窝的脆性断口，具有延迟性，冷裂纹断裂都经过启裂、扩展和断裂三个阶段，扩展时的形貌取决于材料的韧性（图5123，124）。3 冷裂纹断口形貌冷裂纹断口形貌 再热裂纹都发生在热影响区的过热粗晶区，沿晶开裂，所以断口几乎都是沿晶断口（图5127）。4 再热裂纹断口形貌再热裂纹断口形貌5 层状撕裂断口形貌（略）6 应力腐蚀断口形貌（略）产生裂纹的两大因素：力薄弱部位。焊接裂纹的分类和特征：1 热裂纹：高温下形成，沿奥氏体晶界开裂。（1）与液膜有关的裂纹：结晶裂纹、热影响区的热裂纹。（2）与液膜无关的裂纹：多边化裂纹、再热裂纹（消除应力退火裂纹）。本本 章章 重重 点点（1）2 冷裂纹：发生在高强钢，低温下形成，发生在热影响区，呈脆性穿晶断裂。由拘束力淬硬组织氢的共同作用下产生。（1）延迟裂纹：氢致裂纹。（2）淬火裂纹：淬硬组织引起的裂纹。（3）低塑性脆化裂纹：低塑性材料焊接裂纹。本本 章章 重重 点点（2）3 层状撕裂：沿压延方向产生的裂纹。4 应力腐蚀裂纹：应力腐蚀产生的裂纹。冷、热裂纹的影响因素（冶金因素、工艺因素）和预防措施。本本 章章 重重 点点（3）