1、1第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施一、冷裂纹的分类及特征一、冷裂纹的分类及特征二、冷裂纹的影响因素二、冷裂纹的影响因素三、延迟裂纹的形成机理三、延迟裂纹的形成机理四、冷裂纹的控制四、冷裂纹的控制2第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施一、冷裂纹的分类及特征 按裂纹形成原因，冷裂纹可分为以下三类：按裂纹形成原因，冷裂纹可分为以下三类： 延迟裂纹延迟裂纹 淬硬脆化裂纹淬硬脆化裂纹 低塑性脆化裂纹低塑性脆化裂纹 按加工方法分类按加工方法分类 ，可分为：，可分为： 铸造冷裂纹铸造冷裂纹 焊接冷裂纹焊接冷裂纹 3第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施延迟裂纹（氢致裂纹）延迟裂纹（氢致裂纹）在氢在氢、钢材
2、淬硬组织钢材淬硬组织 和和 拘束应力拘束应力 共同作用下产生。共同作用下产生。形成温度在形成温度在 Ms 以下以下 200 至至 室温范围。室温范围。具有明显的具有明显的延迟特征延迟特征（故又称为氢致裂纹）。（故又称为氢致裂纹）。 裂纹的产生存在着潜伏期（几小时、几天甚至更长）、缓慢裂纹的产生存在着潜伏期（几小时、几天甚至更长）、缓慢扩展期和突然开裂三个连续过程。扩展期和突然开裂三个连续过程。由于能量的释放，常可听由于能量的释放，常可听到较清晰的开裂声音（可用声发射仪来监测）。到较清晰的开裂声音（可用声发射仪来监测）。常发生在刚性较大的常发生在刚性较大的低碳钢、低合金钢低碳钢、低合金钢的焊接结
3、构中。的焊接结构中。4第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施淬硬脆化裂纹淬硬脆化裂纹 某些某些淬硬倾向大的钢种淬硬倾向大的钢种，热加工后冷却到，热加工后冷却到Ms 至室温时，至室温时，因发生马氏体相变而脆化因发生马氏体相变而脆化，在拘束应，在拘束应力作用下即可产生开裂。这种裂纹又称为淬火裂力作用下即可产生开裂。这种裂纹又称为淬火裂纹，其产生与氢的关系不大，纹，其产生与氢的关系不大，基本无延迟现象基本无延迟现象，成形加工后常立即出现。这类裂纹常出现在具有成形加工后常立即出现。这类裂纹常出现在具有强烈淬硬倾向强烈淬硬倾向的高（中）碳钢、高强度合金钢、的高（中）碳钢、高强度合金钢、工具钢的焊件中。工具
4、钢的焊件中。5第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施低塑性脆化裂纹低塑性脆化裂纹 它是某些它是某些低塑性材料低塑性材料冷却到较低温度时，冷却到较低温度时，由于由于体积收缩所引起的应变超过了材料本身所体积收缩所引起的应变超过了材料本身所具有的塑性储备量时所产生的裂纹具有的塑性储备量时所产生的裂纹。这种裂纹。这种裂纹通常也无延迟现象，常发生在铸铁或硬质合金通常也无延迟现象，常发生在铸铁或硬质合金构件的成形加工中。如灰口铸铁在构件的成形加工中。如灰口铸铁在400以下以下基本无塑性，焊接裂纹倾向很大。基本无塑性，焊接裂纹倾向很大。6第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施 铸造冷裂纹是铸件凝固后铸造冷裂纹是
5、铸件凝固后冷却到弹性状态时，因局部冷却到弹性状态时，因局部铸造应力大于材料强度极限铸造应力大于材料强度极限而引起的开裂。这类裂纹总而引起的开裂。这类裂纹总是发生在冷却过程中承受较是发生在冷却过程中承受较高拉应力的部位，特别是应高拉应力的部位，特别是应力集中部位。壁厚不均匀、力集中部位。壁厚不均匀、形状复杂的大型铸件容易产形状复杂的大型铸件容易产生冷裂纹。生冷裂纹。 齿轮毛坯中的铸造冷裂纹齿轮毛坯中的铸造冷裂纹铸件尖角部位的裂纹铸件尖角部位的裂纹7第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施焊接生产中经常遇到的低合金钢接头中的延迟裂纹：焊接生产中经常遇到的低合金钢接头中的延迟裂纹： 132323图图11
6、-60 焊接冷裂纹分布形态焊接冷裂纹分布形态1焊道下裂纹焊道下裂纹 2焊根裂纹焊根裂纹 3焊趾裂纹焊趾裂纹起裂部位特点：起裂部位特点：是应力集中部位；存在粗大的马氏体组织；氢含量高。是应力集中部位；存在粗大的马氏体组织；氢含量高。8第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施二、冷裂纹的影响因素 高强度钢接头产生冷裂纹的主要因素是：高强度钢接头产生冷裂纹的主要因素是： （一）（一） 接头中扩散氢的含量与分布接头中扩散氢的含量与分布 （二）（二） 钢材的淬硬倾向钢材的淬硬倾向 （三）（三） 接头中的拘束应力状态接头中的拘束应力状态 9第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施 实际低合金高强钢接头中产生的冷裂
7、纹是上述三大因素实际低合金高强钢接头中产生的冷裂纹是上述三大因素综合作用的结果，但有时可能只是其中一个或二个因素起综合作用的结果，但有时可能只是其中一个或二个因素起主要作用，其余的起辅助作用。主要作用，其余的起辅助作用。 三大影响因素的作用可归纳成经验公式来评价冷裂纹敏三大影响因素的作用可归纳成经验公式来评价冷裂纹敏感性。其中最常用的关系式为：感性。其中最常用的关系式为： 式中，式中，Pw、Pc是冷裂纹敏感指数；是冷裂纹敏感指数；H是熔敷金属扩散氢含是熔敷金属扩散氢含量（量（mL/100g）；）；R是拘束度（是拘束度（N.mm-2)；是工件厚度是工件厚度（mm）；）；Pcm是钢材合金元素的碳当
8、量是钢材合金元素的碳当量。40000060HRPPcmW60060HcmCPP10第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施（一）接头中扩散氢的含量与分布（一）接头中扩散氢的含量与分布 因焊接冷却速度很快，高温下溶入液态金属中的因焊接冷却速度很快，高温下溶入液态金属中的氢来不及逸出，以过饱和状态保留在已凝固的焊缝氢来不及逸出，以过饱和状态保留在已凝固的焊缝中。由于中。由于 H 的尺寸很小，可以在金属晶格点阵中的尺寸很小，可以在金属晶格点阵中自由扩散，焊后接头中尚未来得及扩散出去的氢称自由扩散，焊后接头中尚未来得及扩散出去的氢称为残留扩散氢为残留扩散氢 H R 。焊后。焊后 H R 在浓度差的作用在浓
9、度差的作用下将自发地向焊缝周围的焊接热影响区扩散。下将自发地向焊缝周围的焊接热影响区扩散。 11第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施 焊接冷却过程中，当温度足够高时，焊接冷却过程中，当温度足够高时， H R 能很能很快从金属内部扩散逸出，不会引起裂纹；当温度快从金属内部扩散逸出，不会引起裂纹；当温度很低时，氢的扩散将受到抑制，也不会导致开裂。很低时，氢的扩散将受到抑制，也不会导致开裂。只有在一定温度范围只有在一定温度范围（100100）时，时， H R 才会起致裂作用，这一温度范围称为延迟裂才会起致裂作用，这一温度范围称为延迟裂纹的纹的敏感温度区间敏感温度区间。 H R在接头中的含量与焊接工艺
10、过程有关在接头中的含量与焊接工艺过程有关。12第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施 H R 在接头中的分布状况取决于氢在接头中在接头中的分布状况取决于氢在接头中的扩散行为，后者服从以下规律：的扩散行为，后者服从以下规律： “浓度扩散浓度扩散” ” “相变诱导扩散相变诱导扩散” “应力诱导扩散应力诱导扩散” 可见接头中的可见接头中的 H R 聚集部位正是延迟裂纹的聚集部位正是延迟裂纹的多发部位。多发部位。焊接热影响区焊接热影响区焊道下过热粗晶区焊道下过热粗晶区焊趾与焊根部位焊趾与焊根部位13第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施 相变诱导扩散相变诱导扩散 氢在奥氏体（氢在奥氏体（-Fe）中的溶解度
11、较）中的溶解度较大，扩散系数较小；而在铁素体（大，扩散系数较小；而在铁素体（-Fe）中的溶解度较小，）中的溶解度较小，扩散系数较大。因此，当金属自高温冷却发生扩散系数较大。因此，当金属自高温冷却发生 AF相变相变时，氢就会由转变后的铁素体向尚未转变的奥氏体中扩散，时，氢就会由转变后的铁素体向尚未转变的奥氏体中扩散，导致氢在某些部位产生聚集。导致氢在某些部位产生聚集。熔敷金属因含碳量低于母材而先发生（熔敷金属因含碳量低于母材而先发生（A F+P）转变，使焊缝）转变，使焊缝中的中的 H R向焊接热影响区扩散。继续冷却向焊接热影响区扩散。继续冷却该区金属由奥氏体向马该区金属由奥氏体向马氏体转变，氢便
12、以过饱和状态残留在马氏体中。氏体转变，氢便以过饱和状态残留在马氏体中。 14第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施“应力诱导扩散应力诱导扩散” 氢在金属中有向三氢在金属中有向三向拉伸应力区扩散的趋势。在向拉伸应力区扩散的趋势。在应力集中或缺口部应力集中或缺口部位位常会产生氢的局部聚集，使该处最早达到氢的常会产生氢的局部聚集，使该处最早达到氢的临界含量。应力梯度越大，氢扩散的驱动力就越临界含量。应力梯度越大，氢扩散的驱动力就越大，亦即应力对氢的诱导扩散作用越大。大，亦即应力对氢的诱导扩散作用越大。 15第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施（二）钢材的淬硬倾向 淬硬倾向是钢材产生冷裂纹的又一重要因素
13、。钢材的淬硬倾向是钢材产生冷裂纹的又一重要因素。钢材的淬硬倾向越大，越容易产生裂纹。其原因在于淬硬倾向淬硬倾向越大，越容易产生裂纹。其原因在于淬硬倾向大的钢材，易形成大的钢材，易形成硬脆的马氏体硬脆的马氏体组织和组织和高密度的晶格缺高密度的晶格缺陷（如空位和位错等）陷（如空位和位错等），这些晶格缺陷在应力作用下会，这些晶格缺陷在应力作用下会发生移动和聚集，当其浓度达到临界值时，就会形成裂发生移动和聚集，当其浓度达到临界值时，就会形成裂纹源，并进一步扩展成宏观裂纹。纹源，并进一步扩展成宏观裂纹。 钢材的碳当量反映了化学成分对硬化程度的影响，据钢材的碳当量反映了化学成分对硬化程度的影响，据此可以判
14、断钢材的冷裂倾向大小。此可以判断钢材的冷裂倾向大小。钢材的碳当量越大，钢材的碳当量越大，其淬硬倾向和冷裂倾向越大。其淬硬倾向和冷裂倾向越大。16第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施（三）接头中的拘束应力状态 如前所述，焊接接头存在拘束应力。拉伸拘束应力是如前所述，焊接接头存在拘束应力。拉伸拘束应力是引起冷裂纹的直接原因，并且还会加剧氢的有害作用。引起冷裂纹的直接原因，并且还会加剧氢的有害作用。 接头的拘束度与拘束应力大小，可近似地用经验公式接头的拘束度与拘束应力大小，可近似地用经验公式计算，如平板对接接头：计算，如平板对接接头：lFFLLERRm m 是转换系数，与钢的线胀系是转换系数，与钢的
15、线胀系数、比热容、接头坡口形式和焊数、比热容、接头坡口形式和焊接方法等因素有关。接方法等因素有关。由公式可见：刚性大（弹性模量由公式可见：刚性大（弹性模量 E 大或板厚大或板厚大）或拘束距离大）或拘束距离 L L 小小的焊接结构，拘束的焊接结构，拘束度与拘束应力高，裂纹倾向大。度与拘束应力高，裂纹倾向大。17第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施三、延迟裂纹的形成机理 热应力在缺陷热应力在缺陷（裂纹源）前沿（裂纹源）前沿形成三向应力区，形成三向应力区，诱使氢向其内扩诱使氢向其内扩散、聚集使内压散、聚集使内压力增大。力增大。缺陷前沿应力增缺陷前沿应力增大，材料脆性增大，材料脆性增加。加。 氢浓度达
16、氢浓度达到临界值时，缺到临界值时，缺陷前沿开裂、微陷前沿开裂、微裂纹扩展。裂纹扩展。裂纹尖端形成新裂纹尖端形成新的三向应力区。的三向应力区。氢继续向新的三氢继续向新的三向应力区扩散、向应力区扩散、聚集聚集 这一过程周这一过程周而复始持续进行，而复始持续进行，直至形成宏观裂直至形成宏观裂纹。纹。应力诱导扩散理论：18第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施 由于微裂纹的形成与由于微裂纹的形成与裂纹的扩展与裂纹的扩展与 H R的的扩散、聚集速度有关，扩散、聚集速度有关，所以有延迟断裂特征。所以有延迟断裂特征。产生裂纹之前的潜伏期产生裂纹之前的潜伏期的长短与裂纹区的应力的长短与裂纹区的应力大小有关。拉应
17、力越小，大小有关。拉应力越小，启裂所需临界氢的浓度启裂所需临界氢的浓度越高，潜伏期（延迟时越高，潜伏期（延迟时间）就越长。间）就越长。uc应力应力/MPaLC时间时间 t/h断裂曲线断裂曲线潜伏期潜伏期裂纹扩展裂纹扩展裂纹发生曲线裂纹发生曲线图11-65 延迟断裂时间与应力的关系UC上临界应力 LC下临界应力19第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施四、冷裂纹的控制 对于结构钢焊接冷裂纹的控制，总的原则是控对于结构钢焊接冷裂纹的控制，总的原则是控制冷裂纹形成的三大要素，即制冷裂纹形成的三大要素，即 降低扩散氢的含降低扩散氢的含量、改善接头组织和减小拘束应力。量、改善接头组织和减小拘束应力。焊接中
18、焊接中常用的措施是合理选用焊接材料以及严格控制焊常用的措施是合理选用焊接材料以及严格控制焊接工艺，必要时采用焊前预热与后热消氢处理。接工艺，必要时采用焊前预热与后热消氢处理。20第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施选用低氢型焊材或焊接方法选用低氢型焊材或焊接方法焊前严格清理焊件表面油污焊前严格清理焊件表面油污焊前预热焊前预热 T0 =1440Pw - 392 防止冷裂纹的措施防止冷裂纹的措施冷裂纹的影响因素冷裂纹的影响因素减少淬硬组织减少淬硬组织减少减少 H R含量含量降低拘束应力降低拘束应力紧急后热紧急后热 约约300 并保温并保温合理的焊接线能量及焊接顺序合理的焊接线能量及焊接顺序21第九
19、章 成形缺陷的产生机理及防止措施 这张照片是在哥伦比亚号返回地球的这张照片是在哥伦比亚号返回地球的11天前拍摄（天前拍摄（2003年年2月月3日）并传回的，当时以色日）并传回的，当时以色列总理沙龙正通过卫星与哥伦比亚号上首位进入太空的以色列宇航员拉蒙进行视频对话，列总理沙龙正通过卫星与哥伦比亚号上首位进入太空的以色列宇航员拉蒙进行视频对话，照片是通过哥伦比亚号上随机安装的一架照相机拍摄的照片是通过哥伦比亚号上随机安装的一架照相机拍摄的 。照片上显示，哥伦比亚号航天飞。照片上显示，哥伦比亚号航天飞机的左翼上有两条清晰的裂纹。这两条裂纹应该就是导致哥伦比亚号在着陆前机的左翼上有两条清晰的裂纹。这两
20、条裂纹应该就是导致哥伦比亚号在着陆前16分钟出现分钟出现技术问题，并且最终爆炸解体的主要原因。技术问题，并且最终爆炸解体的主要原因。 22第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施CF62钢球罐使用过程中在焊缝附近发现的裂纹钢球罐使用过程中在焊缝附近发现的裂纹 6023第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施不同焊接工艺条件下熔覆金属中的扩散氢含量不同焊接工艺条件下熔覆金属中的扩散氢含量 钛型焊条钛型焊条 : 30ml / 100g纤维素型焊条纤维素型焊条 : 60ml / 100g低氢型焊条低氢型焊条 : 5 - 7ml /100g超低氢型焊条超低氢型焊条 : 2 - 5ml /100g熔化极（或钨极）氩弧焊熔化极（或钨极）氩弧焊 : 2ml/100g药芯焊丝气体保护焊药芯焊丝气体保护焊 : 6 - 10ml/100g埋弧焊埋弧焊 : 2 - 7 ml/100g24第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施本章结束
