1、1第五第五章章焊接裂纹焊接裂纹2第一节概述第二节焊接热裂纹第三节焊接冷裂纹第四节再热裂纹第五节层状撕裂第六节应力腐蚀裂纹第七节焊接裂纹综合分析和判断第五章第五章 焊接裂纹焊接裂纹3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。4第一节第一节概述概述 一、危害性一、危害性 焊接结构产生裂纹时，轻者需要返修焊接结构产生裂纹时，轻者需要返修，浪费人力、物力、时间，重者造成焊接，浪费人力、物力、时间，重者造成焊接结构报废，无法修补。更严重者造成事故结
2、构报废，无法修补。更严重者造成事故、人身伤亡。如：、人身伤亡。如：19691969年有一艘年有一艘5 5万吨的万吨的矿石运输船在太平洋上航行时，断裂成两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。究焊接裂纹已成为当前主要课题。5二、焊接裂纹的分类及特征二、焊接裂纹的分类及特征1.按照裂纹走向和分布位置分类：按照裂纹走向和分布位置分类：焊缝中纵向裂纹焊缝中纵向裂纹焊缝上横向裂纹焊缝上横向裂纹热影响区纵向裂纹热影响区纵向裂纹热影响区横
3、向裂纹热影响区横向裂纹火口（弧坑）裂纹火口（弧坑）裂纹焊道下裂纹焊道下裂纹焊缝内部晶间裂纹焊缝内部晶间裂纹焊趾裂纹焊趾裂纹热影响区焊缝贯穿裂纹热影响区焊缝贯穿裂纹焊缝根部裂纹焊缝根部裂纹纵向裂纹672 2 、按产生本质分类、按产生本质分类1 1）热裂纹）热裂纹 （高温裂纹）（高温裂纹）产生：产生：热裂纹(高温裂纹)，高温下产生存在部位存在部位：焊缝为主,热影响区也存在。特征：特征：宏观看, 沿焊缝的轴向成纵向分布（连续或继续），也可看到焊缝横向裂纹，裂口均有较明显的氧化色彩，表面无光泽。微观上，沿晶粒边界分布，属于沿晶断裂性质。8热裂纹分类热裂纹分类结晶裂纹结晶裂纹：在凝固的过程-结晶过程中产
4、生高温液化裂纹高温液化裂纹：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。多边化裂纹多边化裂纹：产生温度低于固相线温度,因存在晶格缺陷(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中。9HAZ液化裂纹结晶裂纹多边化裂纹103 3）冷裂纹）冷裂纹产生产生温度温度：温度区间在+100-75之间 存在存在部位部位: :多在热影响区,但也有发生在焊缝。特特征（断口）：征（断口）：宏观：宏观： 断口具有发亮的金属光泽的脆性断裂特征。微观：微观： 晶间断裂，
5、但也可穿晶（晶内）断裂，也可晶间和穿晶混合断裂。2 2）再热裂纹再热裂纹（消除应力处理裂纹）（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。11冷裂纹分类冷裂纹分类：延迟裂纹延迟裂纹：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。淬硬脆化裂纹淬硬脆化裂纹（淬火裂纹）（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。12延迟裂纹13 4 4）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），
6、在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”状的层状断裂并沿穿晶发展。 14 5 5）应力腐蚀裂纹：）应力腐蚀裂纹： 金属材料在某些腐蚀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。 15三三、热裂纹与冷裂纹的基本特点、热裂纹与冷裂纹的基本特点 裂纹裂纹 热裂纹热裂纹 冷裂纹冷裂纹 产生温度 高温下产生 低温下产生 宏观特征沿焊缝的轴向成纵向分布,也有横向分布，裂口均有氧化色彩，表面无光泽 断口具有发亮的金属光泽微观特征沿晶粒边界分布，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 产生部位 焊缝、热影响区 热影响区、焊缝本节结束16第二
7、节第二节 焊接热裂纹焊接热裂纹 焊接热裂纹是焊接生产中常见的一种焊接缺焊接热裂纹是焊接生产中常见的一种焊接缺陷，一般的低碳钢、低合金钢，不锈钢、铝合陷，一般的低碳钢、低合金钢，不锈钢、铝合金、镍基合金等，在焊接过程中都可能会产生金、镍基合金等，在焊接过程中都可能会产生热裂纹。热裂纹。 常见的热裂纹主要是常见的热裂纹主要是结晶裂纹、液化裂纹和多结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹边化裂纹。有时把高温空穴开裂和蠕变开裂（。有时把高温空穴开裂和蠕变开裂（包括再热裂纹）也划分在热裂纹当中。包括再热裂纹）也划分在热裂纹当中。 焊接生产中遇到的热裂纹主要是结晶裂纹。焊接生产中遇到的热裂纹主要是结晶裂纹。17一、
8、结晶裂纹的形成机理一、结晶裂纹的形成机理 1 1、 产生机理产生机理1 1）产生部位）产生部位：结晶裂纹大部分都沿焊缝树枝状晶的交界处发生和发展的，常见的沿焊缝中心纵向开裂，有时也发生在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结晶过程中的薄弱地带晶界，含杂质较多的钢种，除发生在焊缝上外，还出现在近缝区上。18结结晶晶裂裂纹纹1920 500图中上部是焊缝，下部是母材，裂缝分布在先共析铁素体中21 340裂缝发生在一次结晶晶界上的先共析铁素体中，并沿铁素体扩展，这种情况与非金属夹杂物呈链状分布在先共析铁素体中有关。222 2）熔池各阶段产生结晶裂纹的
9、倾向）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，形成一种所谓的界，形成一种所谓的“液态薄膜液态薄膜”，在焊接拉应力作用，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。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：产生结晶裂纹原因：液态薄膜液态薄膜 拉伸应力拉伸应力 结晶裂纹是在焊缝结晶过程中产生的，但是究竟结晶裂纹是在焊缝结晶过程中产生的，但是究竟产生在结晶的哪个阶段哪？产生在结晶的哪个阶段哪？23固液阶段：固液阶段：这一区也称为“脆性温度区”即图上a、b之间的温度范围固相阶段：
10、固相阶段：也叫完全凝固阶段以低碳钢焊接为例可把熔池的结晶分为以下三个阶段液固阶段：液固阶段： TB称为脆性温度区，在此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。 24 综上所述：当温度在脆性温度区间时，焊综上所述：当温度在脆性温度区间时，焊缝金属产生裂纹的可能性较大；当温度高于或缝金属产生裂纹的可能性较大；当温度高于或低于脆性温度区时，焊缝金属具有较大的抵抗低于脆性温度区时，焊缝金属具有较大的抵抗结晶裂纹的能力，产生结晶裂纹的倾向小。结晶裂纹的能力，产生结晶裂纹的倾向小。 一般情况下，杂质少的金属由于脆性温度一般情况下，杂质少的金
11、属由于脆性温度区的范围窄，拉伸应力在此区间的作用时间短，区的范围窄，拉伸应力在此区间的作用时间短，应变量小，焊接时产生裂纹的可能性小；若含应变量小，焊接时产生裂纹的可能性小；若含杂质较多或有明显方向性粗大晶粒时，脆性温杂质较多或有明显方向性粗大晶粒时，脆性温度区范围变宽，拉伸应力在此区的作用时间长，度区范围变宽，拉伸应力在此区的作用时间长，裂纹倾向大。裂纹倾向大。25 从上述的讨论中可以看出：由低熔点共晶形从上述的讨论中可以看出：由低熔点共晶形成的液态薄膜是产生结晶裂纹的主要根源。成的液态薄膜是产生结晶裂纹的主要根源。 但大量的试验表明当低熔点共晶的数量达到但大量的试验表明当低熔点共晶的数量达
12、到一定界限时，反而具有愈合裂纹的作用，即低熔一定界限时，反而具有愈合裂纹的作用，即低熔点共晶达到一定数量后，可以自由流动，填充有点共晶达到一定数量后，可以自由流动，填充有裂纹的部位，减少裂纹的形成，所以为防止结晶裂纹的部位，减少裂纹的形成，所以为防止结晶裂纹的产生，有时在焊接过程中加入一定量的硅裂纹的产生，有时在焊接过程中加入一定量的硅，利用低熔点共晶形成愈合作用而消除裂纹。，利用低熔点共晶形成愈合作用而消除裂纹。26为了进一步证明结晶裂纹产生的条件，焊为了进一步证明结晶裂纹产生的条件，焊接专家们进行了大量的分析和研究，通过接专家们进行了大量的分析和研究，通过一系列的试验，建立了各种不同的理论
13、，一系列的试验，建立了各种不同的理论，其中以前苏联学者普洛霍洛夫的理论最具其中以前苏联学者普洛霍洛夫的理论最具有代表性，他从理论上提出了拉伸应力与有代表性，他从理论上提出了拉伸应力与脆性温度区内被焊金属塑性变变化之间的脆性温度区内被焊金属塑性变变化之间的关系。关系。273 3）产生结晶裂纹的条件）产生结晶裂纹的条件 在焊缝的塑性用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）。 Pmin-e= es受拉伸应力所产生的变形用e表示，e=f(T)也是温度的函数 .并按曲线1、2、3变化。)(TP28 在脆性温度区焊缝所承受的拉伸在脆性温度区焊缝所承受的拉伸应力所产生的
14、变形大于焊缝金属所具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有的塑性时产生裂纹即 高温阶段晶间塑性变形能力足以高温阶段晶间塑性变形能力足以承受当时所发生塑性应变量承受当时所发生塑性应变量, ,因此不因此不产生热裂纹。产生热裂纹。产生裂纹的条件产生裂纹的条件0se29脆性温度区内金属的塑性：脆性温度区内金属的塑性：T TB B内金属的塑性越内金属的塑性越小，越易产生结晶裂纹。这与焊缝的化学成分、小，越易产生结晶裂纹。这与焊缝的化学成分、晶粒大小和应变速率有关晶粒大小和应变速率有关。结论脆性温度区间大小：脆性温度区间大小： T TB B大，拉应力作用时间大，拉应力作用时间长，产生裂纹可
15、能性大，长，产生裂纹可能性大，T TB B取决于焊缝化学成取决于焊缝化学成分，杂质性质与分布，晶粒大小。分，杂质性质与分布，晶粒大小。在在T TB B内的应变增长率（拉伸应力的增长率）：内的应变增长率（拉伸应力的增长率）：在在T TB B内，随温度的下降，收缩产生的拉伸应力内，随温度的下降，收缩产生的拉伸应力增大，应变增长率增大，容易产生结晶裂纹，增大，应变增长率增大，容易产生结晶裂纹，应变增长率主要决定于被焊材料的热物理性能、应变增长率主要决定于被焊材料的热物理性能、焊件的刚度、焊接的工艺和温度场等。焊件的刚度、焊接的工艺和温度场等。30二、焊接结晶裂纹的影响因素二、焊接结晶裂纹的影响因素两
16、个方面：冶金因素、力的因素1 1）冶金因素）冶金因素 合金状态图和结晶温度倾合金状态图和结晶温度倾向向：结晶裂纹倾向的大小随着该结晶裂纹倾向的大小随着该合金状态图结晶温度区间合金状态图结晶温度区间的增大而增加。的增大而增加。 备注：焊接条件下凝固属于备注：焊接条件下凝固属于不平衡结晶。实际凝固线不平衡结晶。实际凝固线比平衡条件下要左移。比平衡条件下要左移。31合金元素对产生结晶裂纹的影响 合金元素及杂质对结晶裂纹的影响十分合金元素及杂质对结晶裂纹的影响十分复杂，但又非常重要。往往是多种元素相复杂，但又非常重要。往往是多种元素相互影响，共同作用，甚至彼此矛盾，互影响，共同作用，甚至彼此矛盾，其中
17、其中各种元素形成低熔点薄膜杂质是影响结晶各种元素形成低熔点薄膜杂质是影响结晶裂纹产生的重要因素。裂纹产生的重要因素。32 a) S、P 几乎在各类钢中存在都会增加结晶裂纹的倾向，即使微量存在，也会使结晶区间增大。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 因此S、P是是最为有害的杂质。 33b) C 影响结晶裂纹的主要因素，并且加剧其他元素的有害作用。 i).C0.16% Mn/S脱硫无效,加剧P有害作用，裂 iii).C0.51% S、P在各相中溶解度低，析出S、P集富在晶界上，裂纹 Mn具有脱S作用，其中
18、Mn熔点高，早期结晶呈球状分布，抗裂 MnSFeSMn 含碳量C0.16% P对形成结晶裂纹的作用超 过了S，Mn无意义 c) Mn注 意：34d) Sid) Si 硅是有利于消除结晶裂纹的元素，但 Si0.4% 易形成低熔点的硅酸盐夹杂使裂纹 对硫的亲合力大，形成高熔点的硫化物，比锰的去硫效果好，消除结晶裂纹有良好的作用。e) Ti e) Ti 、锆（、锆（Z Z）和稀土元素）和稀土元素35焊缝成分CSnSiCrNiAo0.100.0370.017 0.940.540.200.87A0.090.0150.014 1.250.440.190.83注：A 焊缝中加入轻稀土焊缝成分分析例如：强度为
19、600MPa焊条研究36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37 焊缝金属金相组织a、未加入稀土 b、加入2%稀土38f) 镍镍 焊缝中镍的加入是为了改善低温焊缝中镍的加入是为了改善低温韧性，但它容易和韧性，但它容易和S S形成低熔点共晶，形成低熔点共晶，而且会呈膜状分布于晶界，会引起结而且会呈膜状分布于晶界，会引起结晶裂纹。因此需严格控制焊缝晶裂纹。因此需严格控制焊缝S S、P P的的含量，同时加入锰、钛等合金抑制硫含量，同时加入锰、钛等合金抑制硫的有害作用。的有害作用。39e) 氧 截止到目前为止，还没有确定的结论来描述氧对截止到目
20、前为止，还没有确定的结论来描述氧对结晶裂纹的影响，但通过一系列的试验表明，在焊缝结晶裂纹的影响，但通过一系列的试验表明，在焊缝中中OO，降低，降低S S的有害作用，初步解释为氧、硫、铁能的有害作用，初步解释为氧、硫、铁能形成形成Fe-FeS-FeOFe-FeS-FeO三元共晶，使三元共晶，使FeSFeS由薄膜变成球状，由薄膜变成球状，降低产生裂纹的可能性。降低产生裂纹的可能性。 通过以上的分析和探讨，合金元素对结晶裂纹的通过以上的分析和探讨，合金元素对结晶裂纹的影响非常重要，一般认为影响非常重要，一般认为C C、S S、P P的影响最大，其次的影响最大，其次是是CuCu、NiNi、SiSi、C
21、rCr等，而对等，而对N N、O O等的影响还没有形成等的影响还没有形成统一的意见。统一的意见。40为了能够根据化学成分来判断焊接条件下焊缝（或母材）对结晶裂纹的倾向大小，建立一定的判据， 如：临界应变增长率（）、热裂纹的敏感系数（）及最大裂纹长度等，但这些判据都是结合具体钢种和试验条件得到的，有一定的局限性，而且只考虑化学成分的影响是不全面的，只能进行裂纹倾向的相对判断。焊缝对结晶裂纹的倾向大小的判据41 日本JWS临界应变增长率CSTCST=(-19.2C-97.2S-0.8Cu-1.0Ni+ 3.9Mn+65.7Nb-618.5B+7.0)*10-4当时，可以防止裂纹4105 . 6CS
22、T热裂敏感系数HCS公式3103)100/25/(VMoCrMnNiSiPSCHCS当HCS 时， 发生晶间断裂发生晶间断裂100T01当T 时 =称金属的等强温度称金属的等强温度0T0T10 若焊缝所受拉伸应力为若焊缝所受拉伸应力为 随温度变化始终随温度变化始终不超过不超过 ，则不会产生结晶裂纹，则不会产生结晶裂纹 产生结晶裂纹产生结晶裂纹2001120产生结晶裂纹的条件是冶金因素和力共同作产生结晶裂纹的条件是冶金因素和力共同作 用，二者缺一不可用，二者缺一不可473 3、防止结晶裂纹的措施、防止结晶裂纹的措施 1 1）冶金方面）冶金方面 控制焊缝中有害杂质的含量，控制焊缝中有害杂质的含量，
23、限制限制S S、P P、C C含量，含量，S S、P0.03%-0.04%P0.03%-0.04%焊丝焊丝C0.12% (C ee ec c 会产生裂纹会产生裂纹 ee产生裂纹的晶界微观局部的实际塑性变产生裂纹的晶界微观局部的实际塑性变形量形量 e ec c：再热裂纹的临界塑性变形能力再热裂纹的临界塑性变形能力. . e e实际塑性应变是由接头的残余应力经再加实际塑性应变是由接头的残余应力经再加热产生应力松驰而引起，与接头的拘束度、残热产生应力松驰而引起，与接头的拘束度、残余应力、应力集中有关。余应力、应力集中有关。 91 上面的理论条件虽然被普遍公认，但上面的理论条件虽然被普遍公认，但对产生
24、再热裂纹的具体机制存在不同的看对产生再热裂纹的具体机制存在不同的看法：有人认为晶界弱化是主要的；有人强法：有人认为晶界弱化是主要的；有人强调晶内强化是主要的。因此对再热裂纹的调晶内强化是主要的。因此对再热裂纹的解释也有不同的看法，各自强调自己试验解释也有不同的看法，各自强调自己试验范围内的结论，如：晶界杂质析集弱化理范围内的结论，如：晶界杂质析集弱化理论、晶内二次强化理论、蠕变开裂理论、论、晶内二次强化理论、蠕变开裂理论、回火脆性机理等，对于不同的理论都应有回火脆性机理等，对于不同的理论都应有简单的了解。简单的了解。922 2、再热裂纹产生机理学说、再热裂纹产生机理学说 1 1）晶界杂质析集弱
25、化学说）晶界杂质析集弱化学说 晶界上的杂质及析出物会强烈的弱化晶界晶界上的杂质及析出物会强烈的弱化晶界，使晶界滑动时丧失聚合力，导致晶界，使晶界滑动时丧失聚合力，导致晶界脆化，显著降低晶界的塑性变形能力。脆化，显著降低晶界的塑性变形能力。 晶界析集晶界析集P P、S S、 硼化物沿晶析集硼化物沿晶析集 如果产生再热裂纹的临界塑性变形量为如果产生再热裂纹的临界塑性变形量为e ec c，可以用下式进行计算，可以用下式进行计算: :ccRTLeEEc/)1 (93 当当e ec c值越小时，再热裂纹的敏感性越大值越小时，再热裂纹的敏感性越大，而且随着杂质含量的增多，产生再热裂纹的而且随着杂质含量的增
26、多，产生再热裂纹的塑性变形量显著减小。塑性变形量显著减小。 近年来国内也对再热裂纹的问题进行分析近年来国内也对再热裂纹的问题进行分析研究，发现硼化物有沿晶析集的现象，它是导研究，发现硼化物有沿晶析集的现象，它是导致再热裂纹敏感性增加和发生沿晶断裂的重要致再热裂纹敏感性增加和发生沿晶断裂的重要原因，即：原因，即：晶界杂质析集与产生再热裂纹有密晶界杂质析集与产生再热裂纹有密切的关系。切的关系。942 2）二次沉淀理论）二次沉淀理论-晶内沉淀强化晶内沉淀强化 具有沉淀强化的元素具有沉淀强化的元素 焊接高温时过热区合金元素全部溶入焊接高温时过热区合金元素全部溶入A A中，并在中，并在A A长大长大.
27、.焊后冷却速度快，合金元素以过饱和焊后冷却速度快，合金元素以过饱和形式溶入在形式溶入在F F中，出现在位错、空位、中，出现在位错、空位、缺陷等处，实现晶内的强化。缺陷等处，实现晶内的强化。这时应力这时应力产生的变形就集中在晶界。产生的变形就集中在晶界。enrbriFMCMWVNZT、0焊后再加热时（焊后再加热时（500-700500-700）, ,当晶界的当晶界的塑性不足时塑性不足时, ,就会产生再热裂纹就会产生再热裂纹. .953 3）高温蠕变理论）高温蠕变理论 蠕变定义：蠕变定义：金属在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变。特征：特征： 材
28、料内的应力小于材料的屈服应力材料内的应力小于材料的屈服应力 蠕变速度蠕变速度与温度有关与温度有关 温度持久升高、强度下降温度持久升高、强度下降 高温下，晶界强度低于晶内强度高温下，晶界强度低于晶内强度96 分析再热温度条件下的蠕变断裂机制可分析再热温度条件下的蠕变断裂机制可能会有两种开裂模型：能会有两种开裂模型：1.应力集中产生的楔形开裂应力集中产生的楔形开裂：根据晶界粘滞性流根据晶界粘滞性流动的观点，认为在蠕变条件下，在发生松弛的晶粒交动的观点，认为在蠕变条件下，在发生松弛的晶粒交界处产生应力集中，当此应力超过晶界的结合力时，界处产生应力集中，当此应力超过晶界的结合力时，就在此处开裂。就在此
29、处开裂。2.空穴聚集而产生的空穴开裂空穴聚集而产生的空穴开裂：根据点阵空位在根据点阵空位在应力和温度的作用下发生运动，当空位聚集到与应力应力和温度的作用下发生运动，当空位聚集到与应力方向垂直的晶界上达到足够数目时，晶界的结合面会方向垂直的晶界上达到足够数目时，晶界的结合面会遭到破坏，在应力继续作用下，使之扩大而成为裂纹遭到破坏，在应力继续作用下，使之扩大而成为裂纹。97楔形开裂的楔形开裂的 应力及临界应力及临界应力计算：应力计算： drEcbPs2)(23dEbPsp)1 ()(222应力临界应力：空位聚集而产生的空位聚集而产生的“空位开裂空位开裂”最最小能量计算：小能量计算：23327256
30、AW98 从目前的关于再热裂纹的形成机理从目前的关于再热裂纹的形成机理的研究成果来看，虽然做了大量的研究的研究成果来看，虽然做了大量的研究工作工作, ,运用了各种不同的学术理论作为运用了各种不同的学术理论作为研究的基础研究的基础, ,但很难用统一的观点来解但很难用统一的观点来解释清楚再热裂纹的产生机理和发展过程释清楚再热裂纹的产生机理和发展过程, ,因此应该考虑综合因素的作用。因此应该考虑综合因素的作用。目前唯目前唯一得到认可的是根据材料冶金品质和应一得到认可的是根据材料冶金品质和应力条件的综合影响力条件的综合影响, ,对于低合金钢建立了对于低合金钢建立了产生再热裂纹的临界应力关系式产生再热裂
31、纹的临界应力关系式: :99低合金钢产生再热裂纹临界应力关系式低合金钢产生再热裂纹临界应力关系式VMoCrCCCSRSRcr115 . 0328 . 9)7 . 425. 47 .20(cr产生再热裂纹临界应力产生再热裂纹临界应力(N/mm2)如结构实际拘束应力为时，则不裂开裂crcr100三三 、再热裂纹的影响因素及其防治、再热裂纹的影响因素及其防治 影响再热裂纹的主要因素是影响再热裂纹的主要因素是钢种的化钢种的化学成分和焊接区的残余应力学成分和焊接区的残余应力。从冶金因素。从冶金因素和焊接工艺两方面加以分析：和焊接工艺两方面加以分析：1.1.化学成分对再热裂纹的影响化学成分对再热裂纹的影响
32、 2.2.晶粒度对再热裂纹的影响晶粒度对再热裂纹的影响 3.3.焊接接头不同部位和不同组织对焊接接头不同部位和不同组织对再热裂纹的影响再热裂纹的影响 ( (一一) ) 冶金因素冶金因素 1011.1.化学成分的影响：化学成分的影响： 随钢种和合金的不同而不同。珠光体耐热钢中铬和钼就随钢种和合金的不同而不同。珠光体耐热钢中铬和钼就相互影响，钼量增加铬的影响就越大，当钼的含量达到相互影响，钼量增加铬的影响就越大，当钼的含量达到一定值后，铬含量的增加再热裂纹产生的可能性反而下一定值后，铬含量的增加再热裂纹产生的可能性反而下降。钢或合金中的杂质越多，聚集于晶界使之弱化，增降。钢或合金中的杂质越多，聚集
33、于晶界使之弱化，增大再热裂纹倾向，在具体条件下，经过系统的实验可以大再热裂纹倾向，在具体条件下，经过系统的实验可以确定各种杂质的临界含量和相互的制约关系。确定各种杂质的临界含量和相互的制约关系。 目前的研究成果中有许多关于再热裂纹的参数公式，以目前的研究成果中有许多关于再热裂纹的参数公式，以定量计算化学成分对再热裂纹敏感性的影响，但有一定的定量计算化学成分对再热裂纹敏感性的影响，但有一定的缺陷，只能作为初步的评价。缺陷，只能作为初步的评价。1022.2.晶粒度的影响：晶粒度的影响： 晶粒越大，产生裂纹的可能性越大。晶粒越大，产生裂纹的可能性越大。3.3.焊接接头不同部位和不同组织的影响：焊接接
34、头不同部位和不同组织的影响： 缺陷缺陷 位于不同位置和组织产生再热裂纹的情况不同，位于不同位置和组织产生再热裂纹的情况不同，如：在热影响区的过热区和完全重结晶区，产生的可能如：在热影响区的过热区和完全重结晶区，产生的可能性有非常大的区别；在熔合区有余高和咬边的情况下，性有非常大的区别；在熔合区有余高和咬边的情况下，再热裂纹的延伸趋势将发生变化，具有对缺陷的响应性。再热裂纹的延伸趋势将发生变化，具有对缺陷的响应性。103（二）焊接工艺因素（二）焊接工艺因素包含以下五个方面的内容：包含以下五个方面的内容：1 1、焊接材料的影响、焊接材料的影响2 2、焊接方法和热输入的影响、焊接方法和热输入的影响3
35、 3、预热和后热的影响、预热和后热的影响4 4、接头设计和焊接顺序的影响、接头设计和焊接顺序的影响5 5、焊后热处理工艺的影响、焊后热处理工艺的影响1041、焊接材料的影响： 选用低匹配的焊接材料，适当降低再热裂纹产生温度区间焊缝金属的强度，提高其塑性变形能力，可以减轻焊接热影响区塑性应变的集中程度，对降低再热裂纹的敏感性非常有益。在实际生产中可以采用只在焊缝表层焊或其他方法获得低强度高塑性的焊缝表面，就有一定的好处。2、焊接方法和热输入的影响： 热输入增大会导致晶粒粗化严重，再热裂纹的敏感性增大。不同的焊接方法获得不同的热输入量，对于淬硬倾向大的钢种，电弧焊比其它焊接方法更有效。1053 3
36、. .预热及后热的影响：预热及后热的影响： 预热有利于防止再热裂纹，但温度应控制在预热有利于防止再热裂纹，但温度应控制在200200450450并配合后热才能起到细化晶粒、降并配合后热才能起到细化晶粒、降低再热裂纹倾向的作用。低再热裂纹倾向的作用。 4.4.接头设计和焊接顺序的影响：接头设计和焊接顺序的影响： 接头的设计必须尽量减小拘束应力，防止产接头的设计必须尽量减小拘束应力，防止产生应力集中；焊接顺序可以采取分段对称焊接生应力集中；焊接顺序可以采取分段对称焊接、分段退焊等方式，减小焊接残余应力。、分段退焊等方式，减小焊接残余应力。5.5.焊后热处理工艺的影响：焊后热处理工艺的影响： 在改善
37、组织和消除应力的前提下，避开产生在改善组织和消除应力的前提下，避开产生再热裂纹的温度敏感区，热处理前锤击焊缝表再热裂纹的温度敏感区，热处理前锤击焊缝表层也有一定作用。层也有一定作用。本节结束106第五节第五节 层状撕裂层状撕裂 在大型的厚壁结构在焊接过程中会在大型的厚壁结构在焊接过程中会沿厚度方向出现较大的拉伸应力，若钢沿厚度方向出现较大的拉伸应力，若钢中含有较多的杂质，会沿钢板的轧制方中含有较多的杂质，会沿钢板的轧制方向出现一种台阶状的裂纹，称为层状撕向出现一种台阶状的裂纹，称为层状撕裂。裂。 一般层状撕裂在钢的表面很难发现，一般层状撕裂在钢的表面很难发现，即使用超声波探伤合格的钢板，在焊接
38、即使用超声波探伤合格的钢板，在焊接后仍可能会出现层状撕裂。后仍可能会出现层状撕裂。一、特征及危害性一、特征及危害性 1071 1、产生的部位和形状、产生的部位和形状 宏观形状：在外观上具有阶梯状的形宏观形状：在外观上具有阶梯状的形式，由基本上平行于轧制方向表面的平台与式，由基本上平行于轧制方向表面的平台与大体上垂直于平台的剪切壁所组成。大体上垂直于平台的剪切壁所组成。 微观形状：扫描电镜观察低倍下断口表微观形状：扫描电镜观察低倍下断口表面呈典型的面呈典型的木纹状木纹状，是层层平台在不同高度，是层层平台在不同高度分布的结果分布的结果 部位：母材或热影响区部位：母材或热影响区 1082 2、产生在
39、厚板结构中、产生在厚板结构中 十字接头十字接头, ,丁字接头丁字接头, ,角接头，平台局部地角接头，平台局部地区有硅酸盐或氧化物夹杂物区有硅酸盐或氧化物夹杂物 109 种类种类 据产生部位分分为三类：据产生部位分分为三类：第一类第一类是在是在焊接热影响区焊趾或焊根焊接热影响区焊趾或焊根 由冷裂纹诱发而形成层状措裂；由冷裂纹诱发而形成层状措裂；第二类第二类是是热影响区沿夹杂开裂热影响区沿夹杂开裂；是工程；是工程中最常见的。中最常见的。第三类第三类远离热影响区母材中沿夹杂开裂远离热影响区母材中沿夹杂开裂MnSMnS片状夹杂较多片状夹杂较多的厚板结构中。的厚板结构中。110 层状撕裂主要发生在低合金
40、高强钢的层状撕裂主要发生在低合金高强钢的厚板厚板焊接结构中焊接结构中，一般此类结构多用于海洋采油平，一般此类结构多用于海洋采油平台、核反应堆压力容器、潜艇外壳等一些重要台、核反应堆压力容器、潜艇外壳等一些重要结构，由于在外观上没有任何迹象，无损检测结构，由于在外观上没有任何迹象，无损检测又很难发现，即使发现也很难修复，会造成巨又很难发现，即使发现也很难修复，会造成巨大的经济损失，往往引起灾难性的事故。大的经济损失，往往引起灾难性的事故。 层状撕裂属于冷裂纹的范畴，可以在焊接层状撕裂属于冷裂纹的范畴，可以在焊接过程中形成，也可在焊接结束后启裂和扩展，过程中形成，也可在焊接结束后启裂和扩展，甚至在
41、使用过程中逐渐形成和发展，具有一定甚至在使用过程中逐渐形成和发展，具有一定的延迟性。的延迟性。 111二、形成机理及影响因素二、形成机理及影响因素 (一一)层状撕裂的形成过程层状撕裂的形成过程1 1、厚板结构焊接时、厚板结构焊接时, ,特别是特别是T T型和角接接头，型和角接接头，在强制刚性拘束条件下，产生较大的在强制刚性拘束条件下，产生较大的Z Z向应向应力和应变，当应变达到或超过材料的塑性变力和应变，当应变达到或超过材料的塑性变形能力之后，夹杂物与金属基体之间弱结合形能力之后，夹杂物与金属基体之间弱结合面发生脱离，形成显微裂纹，裂纹尖端的缺面发生脱离，形成显微裂纹，裂纹尖端的缺口效应造成应
42、力、应变的集中，迫使裂纹沿口效应造成应力、应变的集中，迫使裂纹沿自身所处的平面扩展，把同一平面而相邻的自身所处的平面扩展，把同一平面而相邻的一群夹杂物连成一体，形成所谓的一群夹杂物连成一体，形成所谓的“平台平台”。 1122 2、与此同时相邻近的两个平台之间的裂纹、与此同时相邻近的两个平台之间的裂纹尖端处，在应力应变影响下在剪切应力作尖端处，在应力应变影响下在剪切应力作用下发生剪切断裂，形成用下发生剪切断裂，形成“剪切壁剪切壁“，这，这些平台和剪切壁在一起，构成层状撕裂所些平台和剪切壁在一起，构成层状撕裂所持有的阶梯形状持有的阶梯形状。113 从以上的分析可看出：从以上的分析可看出：层状撕裂的
43、根本层状撕裂的根本原因是钢材中存在较多的夹杂物，而在轧制原因是钢材中存在较多的夹杂物，而在轧制过程中轧成平行于轧向的带状夹杂物，形成过程中轧成平行于轧向的带状夹杂物，形成了钢材力学性能的各向异性。了钢材力学性能的各向异性。试验表明：沿试验表明：沿轧制方向（轧制方向（L L向）和厚度方向（向）和厚度方向（Z Z向）的拉伸向）的拉伸试样，尽管在强度方面相差不大，单在塑性试样，尽管在强度方面相差不大，单在塑性方面（伸长率、收缩率等）有很大的差异，方面（伸长率、收缩率等）有很大的差异，Z Z向的伸长率要比向的伸长率要比L L向的伸长率低向的伸长率低30%-40%30%-40%，所以承受所以承受Z Z向
44、拉伸应力的焊接结构，很容易向拉伸应力的焊接结构，很容易沿层状分布的夹杂处开裂。沿层状分布的夹杂处开裂。114( (二二) )影响因素影响因素 影响层状撕裂的因素有以下四影响层状撕裂的因素有以下四个方面：个方面：1 1、非金属夹杂物的影响、非金属夹杂物的影响2 2、焊接、焊接Z Z向应力的影响向应力的影响 3 3、氢的作用的影响、氢的作用的影响 4 4、母材性能的影响、母材性能的影响 1151.1.非金属夹杂物的影响非金属夹杂物的影响 非金属夹杂物的种类、数量、和分布形态非金属夹杂物的种类、数量、和分布形态是产生层状撕裂的基本原因，是形成钢种各向是产生层状撕裂的基本原因，是形成钢种各向异性、力学
45、性能差异的内在因素。异性、力学性能差异的内在因素。 钢中常见的夹杂物有硫化物、各种硅酸盐钢中常见的夹杂物有硫化物、各种硅酸盐和铝酸盐，其中铝酸盐夹杂物呈球形分布，对和铝酸盐，其中铝酸盐夹杂物呈球形分布，对层状撕裂的敏感性稍差，而硫化物和硅酸盐都层状撕裂的敏感性稍差，而硫化物和硅酸盐都是呈不规则的条形分布，对层状撕裂的敏感性是呈不规则的条形分布，对层状撕裂的敏感性较大。较大。 116 一般情况下，夹杂物在钢中的分布一般情况下，夹杂物在钢中的分布和含量用下面两个物理量来确定：和含量用下面两个物理量来确定： 夹杂物的体积比；试样中夹杂物的夹杂物的体积比；试样中夹杂物的总体积与试样体积之比。总体积与试
46、样体积之比。 夹杂物的累计长度：单位面积上的夹杂物的累计长度：单位面积上的夹杂长度总和。夹杂长度总和。 实验表明：实验表明：Z向的断面收缩率随夹杂物向的断面收缩率随夹杂物的体积比和累计长度的增加而显著下降。的体积比和累计长度的增加而显著下降。1172.Z2.Z向的拘束应力向的拘束应力 厚壁的结构在焊接过程中承受不同程度的厚壁的结构在焊接过程中承受不同程度的Z Z向拘束应力，同时焊接后产生的残余应力和负向拘束应力，同时焊接后产生的残余应力和负载，是形成层状撕裂的力学条件，大量的试验载，是形成层状撕裂的力学条件，大量的试验证明：在一定焊接条件下，对于不同的钢种，证明：在一定焊接条件下，对于不同的钢
47、种，存在不同的存在不同的Z Z向临界拘束应力，如果焊接结构向临界拘束应力，如果焊接结构产生的应力超过了临界拘束应力，就会产生产生的应力超过了临界拘束应力，就会产生层状撕裂。层状撕裂。1183.3.氢的影响氢的影响 一般认为，在焊接热影响区附近，由冷裂一般认为，在焊接热影响区附近，由冷裂纹诱发为层状撕裂的主要影响因素是氢，因此纹诱发为层状撕裂的主要影响因素是氢，因此有的研究人员把层状撕裂作为冷裂纹的另外一有的研究人员把层状撕裂作为冷裂纹的另外一种形态加以研究，认为其产生的主要原因是由种形态加以研究，认为其产生的主要原因是由氢引起的，产生的机理与冷裂纹相同。但如果氢引起的，产生的机理与冷裂纹相同。
48、但如果针对远离热影响区的母材处产生的层状撕裂，针对远离热影响区的母材处产生的层状撕裂，焊缝中的氢不起任何作用，所以氢在层状撕裂焊缝中的氢不起任何作用，所以氢在层状撕裂中的作用要依据撕裂产生的位置不同而确定。中的作用要依据撕裂产生的位置不同而确定。1194.4.母材性能的影响母材性能的影响 热影响区产生淬硬组织、热影响区产生淬硬组织、塑塑性下降性下降; ; 加热加热150150350350出现应变出现应变时时效，塑性、韧性下降。效，塑性、韧性下降。120三、层状撕裂的判据三、层状撕裂的判据 常用的评定方法有：常用的评定方法有：Z Z向拉伸断面收缩率：用于无氢条件下母向拉伸断面收缩率：用于无氢条件
49、下母材的评定。材的评定。插销插销Z Z向临界应力：用于有氢条件下焊接向临界应力：用于有氢条件下焊接热影响区的评定。热影响区的评定。 1211.Z1.Z向拉伸断面收缩率为判据：当板厚向拉伸断面收缩率为判据：当板厚6060时，试样直径时，试样直径1010；当板厚；当板厚6060时，试样直时，试样直径径1515；断面收缩率应不小于；断面收缩率应不小于15%15%，最好在，最好在15%15%-20%-20%之间，大于之间，大于25%25%时，抗层状撕裂优良。时，抗层状撕裂优良。2.2.插销插销Z Z向应力判据：在大量实验的基础上，考向应力判据：在大量实验的基础上，考虑到虑到含硫量对层状撕裂的影响含硫量
50、对层状撕裂的影响，提出裂纹敏感，提出裂纹敏感性评定公式，计算公式中包含化学成分裂纹敏性评定公式，计算公式中包含化学成分裂纹敏感系数、扩散氢含量、钢中的硫含量等，但对感系数、扩散氢含量、钢中的硫含量等，但对硅酸盐、铝酸盐的影响作用没有考虑，具有一硅酸盐、铝酸盐的影响作用没有考虑，具有一定的局限性。定的局限性。122四、防止措施四、防止措施 （一）选择合适的母材一）选择合适的母材 通过降低钢中夹杂物的含量和控制夹杂物的形态，通过降低钢中夹杂物的含量和控制夹杂物的形态，来增加钢材的抗层状撕裂的能力。来增加钢材的抗层状撕裂的能力。1.1.精炼钢精炼钢 用铁水先期脱硫的办法，并采用真空脱气用铁水先期脱硫
