第13章 低合金钢的焊接 - 百度文库
第13章 低合金钢的焊接
第十三章 低合金钢的焊接
低合金钢是在碳素钢的基础上添加一定量的合金化元素而成，其合金元素的质量分数一般不超过5%，用以提高钢的强度并保证其具有一定的塑性和韧性，或使钢具有某些特殊性能，如耐低温、耐高温或耐腐蚀等。常用来制作焊接结构的低合金钢可分为高强度钢、低温用钢、耐腐蚀用钢及珠光体耐热钢四种。 13.2低合金高强钢的焊接
其中高强度钢应用最广泛，按钢材的屈服强度及使用时的热处理状态又可分以下三种：
a. 在热轧、控冷控轧及正火（或正火加回火）状态下焊接和使用，屈服强
度为295～490MPa的低合金高强度结构钢。
b. 在调质状态下焊接和使用的，屈服强度为490～980Mpa的低碳低合金调
c. w（C）为0.25～0.50％，屈服强度为880～1176Mpa的中碳调质钢。 标准中钢的分类是按照钢的力学性能划分的。钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音字母Q、屈服点数值、质量等级符号三个部分按顺序排序排列。按照钢的屈服强度，低合金高强度钢分5个强度等级，分别是295MPa、345MPa、390MPa、420MPa及460MPa。每个强度等级又根据冲击吸收功要求分成A、B、C、D、E、5个质量等级，分别代表不同的冲击韧性要求。
低合金高强钢中w（C）一般控制在0.20%以下，为了确保钢的强度和韧性，通过添加适量的Mn、Mo等合金元素及V、Nb、Ti、Al、等微合金化元素，配合适当的轧制工艺或热处理工艺来保证钢材具有优良的综合力学性能。由于低合金高强度钢具有良好的焊接性、优良的可成形性及较低的制造成本，因此，被广泛地用于压力容器、车辆、桥梁、建筑、机械、海洋结构、船舶等制造中，已成为大型焊接结构中最主要的结构材料之一。
低合金高强钢的强化机理与碳素钢不同，碳素钢主要通过钢中的碳含量形成珠光体、贝氏体和马氏体来达到强化；而低合金高强钢的强化主要是通过晶粒细化、沉淀硬化及亚结构的变化来实现。
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5 第五章 焊接裂纹
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第一篇:裂纹基本特征 敏感的温度区间 被焊材料 位置 在结晶后期，由于低熔共晶形 在固相线温度以上 杂质较多的碳钢、低中合金 成的液态薄膜削弱了晶粒间的 焊缝上、少量在 结晶裂纹 稍高的温度（固液 钢、奥氏体钢、镍基合金及 联结，在拉伸应力的作用下发 热影响区 状态） 铝 生开裂 已凝固的结晶前沿，在高温和 应力的作用下，晶格缺陷发生 焊缝上，少量在 热裂纹 多边化裂纹 移动和聚集，形成二次边界， 纯金属及单相奥氏体合金 热影响区 它在高温处于低塑性状态，在 应力作用下产生的裂纹 在焊接热循环峰值温度在作用 下，在热影响区和多层焊的层 固相线以下稍低温 含 S、 C 较多的镍铬高强 热影响区及多层 P、 液化裂纹 间发生重熔，在应力作用下产 度 钢、奥氏体钢、镍基合金 焊的层间 生的裂纹 厚板焊接结构消除应力处理过 程中，在热影响区的粗晶区存 含有沉淀强化元素的高强 在不同程度的应力集中时，由 600-700℃回火处 热影响区的粗晶 再热裂纹 钢、珠光体钢、奥氏体钢、 于应力松弛所产生附加变形大 理 区 镍基合金等 于该部位的蠕变塑性，则发生 再热裂纹 在淬硬组织、氢和拘束应力的 中、 高碳钢， 抵、 中合金钢，热影响区、少量 延迟裂纹 共同作用下而产生的具有延迟 在 MS 点以下 钛合金等 在焊缝 特征的裂纹 冷裂纹 含碳的 NiCrMo 钢、马氏体 热影响区、少量 淬硬脆化裂 主要是由淬硬组织在焊接应力 MS 点附近 不锈钢 在焊缝 纹 的作用下产生的裂纹
裂纹走向 沿奥氏体晶界
沿奥氏体晶界
沿晶界开裂
沿晶界开裂
沿晶或穿晶 沿晶或穿晶
在较低的温度下，由于被焊材 低塑性脆化 料的收缩应变，超过了材料本 在 400℃以下 裂纹 身的塑性储备而产生的裂纹 主要是由于钢板的内部存在有 分层的夹杂物（沿轧制方向）， 在焊接时产生的垂直于轧制方 层状撕裂 约 400℃以下 向的应力，致使在热影响区或 稍远的地方产生“台阶”状层 状开裂 某些焊接结构（如压力容器和 应力腐蚀裂纹 管道等），在腐蚀介质和应力 任何工作温度 （SCC） 的共同作用下产生的延迟开裂
铸铁、堆焊硬质合金
热影响区及焊缝
沿晶或穿晶
含有杂质的低合金高强钢
热影响区附近
沿晶或穿晶
碳钢、低合金钢、不锈钢、 焊缝和热影响区 铝合金
沿晶或穿晶
热酸浸试验 发现调质后的原材料其周围表面上有贯穿试样全长的纵向裂纹。在调质后发现纵裂的试样圆周上有 2~3 条裂纹。这些裂纹均与表面成一定角度，略显
弯曲，长 1~2 L不等。其中一条裂纹从端部向内开裂至试样中心，此裂纹的延伸部分垂直 于试样表面，宏观较直，横向酸浸试面上除裂纹外未发现其它明显的宏观缺陷。2 宏微观检测 2.1 断口分析 横向断口分析，可见裂纹因走向不同而分为两部分，靠近表面的起始部分两壁非常光 滑，呈沿加工方向伸长的细长带状组织，具有灰黑色的氧化颜色；与起始部位走向不同的 裂纹延伸部分则无此现象。2.2 金相分析 取调质后纵裂的横向取样，在金相显微镜下观察，靠近表面的裂纹起始部分两侧均有 明显脱碳层，其内部充满非金相夹杂物，并可见灰色氧化物夹杂。观察延伸到心部的裂纹 末端，其尾部比较尖细，两侧无脱碳现象。试样的基本组织为回火索氏体，为 40Cr 钢正常 调质组织 2.3 轧材的宏观检验 另抽查 3 支未经调质的原材料轧材，其中 2 支外表面陷约可见纵向裂纹，载取横向试 样，磨抛后用 4%硝酸酒精溶液浸蚀，宏观可见试样圆周上有明显与表面呈一定角度略显弯 曲的裂纹，深约 2 L。3 分析与讨论 3.1 由图 2 裂纹的宏观形貌可见，裂纹起始部分与一定角度，且较弯曲，拟是轧制不
当，如变形工艺不合理及设备状态不正常，而形成的表面折叠。有的肉眼可见，有的被轧 制面掩盖，经酸洗后方能显示出来。3.2 根据图 3 的断口宏观形貌，裂纹起始部分在轧制过程中产生，且内壁已氧化，最后 轧制道次不能使裂纹焊合。在轧制过程中，裂纹内壁相互摩擦而形成延长加工方向伸长的 金属流变条带。3.3 图 4 裂纹两侧的严重脱碳现象及裂纹内氧化铁皮被压入，充分说明裂纹的起始部分 存在于淬火之前。3.4 由图 2、图 5 可见，裂纹的延伸部分比较刚直，末端尖细，两侧无氧化脱碳现象， 可确定为淬火裂纹。而基本组织为 40Cr 正常调质组织――回火索氏体，因此推测裂纹非淬 火工艺不当所引起。
3.5 钢材纵裂对表面的任何小裂口应力集中敏感性最强，通过分析检验结果，对 40Cr 钢拉伸、冲击试样纵裂的产生过程描述如下3.5.1 在钢材轧制过程中，由于轧制不当在钢材表面产生折叠或皱折，保留在钢材表面 呈现为小裂口。3.5.2 由于表面小裂口的出现，原材料在淬火时可产生较大的组织型内应力，在裂口的 末端造成应力集中效应。3.5.3 在表面裂口尖端上的高应力的作用下，以表面裂纹作为裂纹源向心部扩展形成纵 裂型的淬火裂纹。4 结论 系钢材在轧制过程中，由于轧制工艺不当产生的表面折叠缺陷，在淬火过程中以此为 裂纹源，进一步扩展所致，而与淬火工艺无关。建议调整轧制工艺，使每道次变形量尽量做到合理，保持轧制温度均匀。避免孔形侧 向过充满和低温轧制，以减少表面折叠缺陷，同时加强表面酸洗，对酸洗后暴露出来的明 显裂纹进行充分修磨。裂纹产生 1、夹杂物引起的裂纹 2、淬火裂纹 3、原材料引起的裂纹 0817 批次产品的热处理工艺 淬火：950℃保温 40s,空冷 120s 回火：680℃，保温 260s。裂纹钻杆的热处理参数见下表淬火参数
管体编号 升温时间 （S） 最高温度 (℃) 958 959 959 最低温度 (℃) 956 956 956 956 956 升温时间 （S） 21.8 23.4 23.7 21.0 22.4
最高温度 (℃) 681 681 681 681 681 最低温度 (℃) 678 678 679 678 678
淬火液 温度 (℃) 38 38 38 34 38
淬火 液浓 度(%) 17 17 17 17 17
18.1 20.6 19.4 20.4 18.0
19.8 22.3 20.4 21.2
960 959 959
955 956 955
24.9 22.8 21.4
681 681 681
679 679 679
1.裂纹产生的原因
焊接裂纹分为热裂纹、冷裂纹和再热裂纹三种．易出现再热裂纹的钢种较少，且前面 的问题中已经提到到其产生原因和防止措施，这里不再重复．热裂纹产生的主要原因：一 是某些杂质元素与金属及其合金元素形成低熔点共晶，这些共晶体聚积在晶界上，不能承 受力量，又破坏了晶粒之间的联系而形成热裂纹；二是线膨胀系数大的母材焊接时受热膨 胀体积增大，晶间结合力减弱，在焊接应力作用下也易产生热裂纹．冷裂纹产生的主要原 因：一是钢中含有磷杂质以 Fe2P 和 Fe3P 的形式存在，Fe3P 能与铁形成低熔点共晶，聚集于 晶界削弱晶粒间的结合力，使钢在常温或低温时变脆，造成冷裂；二是焊接过程中由于化 学反应，空气或水的分解等原因，焊缝中溶解一定量的氢，氢能向焊缝缺陷处流动富集形 成氢脆，甚至形成“氢致延迟裂纹”，这是冷裂纹中最严重也是最危险的问题．第三是焊 缝中存在氮、氧原子或化合物也能使金属变脆，引起冷裂纹．第四是淬火倾向大的钢或厚 板钢性大的焊件由于没有采取预热或暖冷的措施，冷却速度快，造成较大的内应力和焊接 残余应力，这个应力超过了材料所能承受的力就会产生裂纹． 另外，焊件定位焊缝过于薄弱，在焊接过程中开裂，而焊缝焊接时没有消除定位焊缝 的裂纹，这也是裂纹源． 2.防止焊接裂纹产生的措施 (1)严格控制器材和焊材中有害杂质的含量． (2)对因线膨胀系数大易产生焊接热裂纹的材料，焊接时采用小规范不摆动焊接，减少热量 输入． (3)采用低氢、 超低氢焊接材料或工艺措施， 降低焊缝氢量， 必要的焊后马上进行消氢处理． (4)焊前对待焊处及两恻进行认真清理，焊接时对熔池采取良好的保护措施．
(5)对易淬火钢和钢性大的构件，焊前预热，焊时保温，焊后暖冷，必要的采取焊后消除焊 接残余应力的相应处理． 裂纹可能发生在焊缝金属内部或外部，或者在焊缝附近的母材热影响区内，或者位于 母材与焊缝交界处等等。根据焊接裂纹产生的时间和温度的不同，可以把裂纹分为以下几 类a.热裂纹（又称结晶裂纹）：产生于焊缝形成后的冷却结晶过程中，主要发生在晶界 上，金相学中称为沿晶裂纹，其位置多在焊缝金属的中心和电弧焊的起弧与熄弧的弧坑处， 呈纵向或横向辐射状，严重时能贯穿到表面和热影响区。热裂纹的成因与焊接时产生的偏 析、冷热不均以及焊条（填充金属）或母材中的硫含量过高有关。b.冷裂纹：焊接完成后冷却到低温或室温时出现的裂纹，或者焊接完成后经过一段时 间才出现的裂纹 （这种冷裂纹称为延迟裂纹， 特别是诸如 14MnMoVg、 18MnMoNbg、 14MnMoNbB 等合金钢种容易产生此类延迟裂纹，也称之为延迟裂纹敏感性钢）。冷裂纹多出现在焊道 与母材熔合线附近的热影响区中，其取向多与熔合线平行，但也有与焊道轴线呈纵向或横 向的冷裂纹。冷裂纹多为穿晶裂纹（裂纹穿过晶界进入晶粒），其成因与焊道热影响区的 低塑性组织承受不了冷却时体积变化及组织转变产生的应力而开裂，或者焊缝中的氢原子 相互结合形成分子状态进入金属的细微孔隙中时将造成很大的压应力连同焊接应力的共同 作用导致开裂（称为氢脆裂纹），以及焊条（填充金属）或母材中的磷含量过高等因素有 关。c.再热裂纹：焊接完成后，如果在一定温度范围内对焊件再次加热（例如为消除焊接 应力而采取的热处理或者其他加热过程，以及返修补焊等）时有可能产生的裂纹，多发生 在焊结过热区，属于沿晶裂纹，其成因与显微组织变化产生的应变有关。
淬火裂纹是指在淬火过程中或在淬火后的室温放置过程中产生的裂纹。后 淬火裂纹是指在淬火过程中或在淬火后的室温放置过程中产生的裂纹。者又叫时效裂纹。造成淬火开裂的原因很多，在分析淬火裂纹时， 者又叫时效裂纹。造成淬火开裂的原因很多，在分析淬火裂纹时，应根据裂纹 特征加以区分。特征加以区分。
一、淬火裂纹的特征 在淬火过程中，当淬火产生的巨大应力大于材料本身的强度并超过塑性变形极限时， 便会导致裂纹产生。淬火裂纹往往是在马氏体转变开始进行后不久产生的，裂纹的分布则
没有一定的规律，但一般容易在工件的尖角、截面突变处形成。在显微镜下观察到的淬火开裂，可能是沿晶开裂，也可能是穿晶开裂；有的呈放射状， 也有的呈单独线条状或呈网状。
因在马氏体转变区的冷却过快而引起的淬火裂纹，往往是穿晶分布， 因在马氏体转变区的冷却过快而引起的淬火裂纹，往往是穿晶分布，而且 裂纹较直，周围没有分枝的小裂纹。裂纹较直，周围没有分枝的小裂纹。因淬火加热温度过高而引起的淬火裂纹，都是沿晶分布，裂纹尾端尖细， 因淬火加热温度过高而引起的淬火裂纹，都是沿晶分布，裂纹尾端尖细， 并呈现过热特征：结构钢中可观察到粗针状马氏体； 并呈现过热特征：结构钢中可观察到粗针状马氏体；工具钢中可观察到共晶或 角状碳化物。角状碳化物。
表面脱碳的高碳钢工件，淬火后容易形成网状裂纹。这是因为，表面脱碳层在淬火冷 却时的体积胀比未脱碳的心部小，表面材料受心部膨胀的作用而被拉裂呈网状。二、非淬火裂纹的特征 淬火后发生的裂纹，不一定都是淬火所造成的，可根据下面特征来区分：
淬火后发现的裂纹，如果裂纹两侧有氧化脱碳现象， 淬火后发现的裂纹，如果裂纹两侧有氧化脱碳现象，则可以肯定裂纹在淬 火之前就已经存在。淬火冷却过程中，只有当马氏体转变量达到一定数量时， 火之前就已经存在。淬火冷却过程中，只有当马氏体转变量达到一定数量时， 裂纹才有可能形成。与此相对应的温度， 250℃以下。在这样的低温下， 裂纹才有可能形成。与此相对应的温度，大约在 250℃以下。在这样的低温下， 即使产生了裂纹，裂纹两侧也不会发生脱碳和出现明显氧化。所以， 即使产生了裂纹，裂纹两侧也不会发生脱碳和出现明显氧化。所以，有氧化脱 碳现象的裂纹是非淬火裂纹。碳现象的裂纹是非淬火裂纹。纹是非淬火裂纹
如果裂纹在淬火前已经存在，又不与表面相通，这样的内部裂纹虽不会产生氧化脱碳， 但裂纹的线条显得柔软，尾端圆秃，也容易与淬火裂纹的线条刚健有力，尾端尖细的特征 区别开来。
第一篇:裂纹裂纹分类
凡是使金属的连续性被破坏的缺陷，而此种缺陷又具有一定的深度、 长度和宽度，或直线或曲线状分布于钢材或工件表面或内部，即称裂 纹。裂纹的分类1. 按裂纹存在的形状和大小可分为：龟纹、 “V 型”纹、 型”纹、 “y “之状”裂纹、环状裂纹、鸡爪状裂纹、丝纹、发纹、裂纹、裂缝等 宏观裂纹及微观裂纹。2. 按裂纹存在于钢材或工件上的不同方向分为：纵裂纹、横裂纹即 为定向裂纹等。3. 按裂纹存在的不同部位分为：表皮裂纹、皮下裂纹、心部裂纹与 钢锭的头部裂纹、中部裂纹、尾部裂纹及角部裂纹等。4. 按裂纹产生的不同根源分为：铸造裂纹、锻造裂纹、轧制裂纹、 拔制裂纹、研磨裂纹、淬火裂纹、焊接裂纹及疲劳裂纹等。
低倍组织结构内容
1. 偏析、疏松、气孔、树枝状结晶、缩孔、缩管、晶粒粗大、气泡 翻皮、金属夹杂物、非金属夹杂物、裂纹等。2. 在加热过程中产生的缺陷：过烧、氧化铁皮、脱碳层、晶粒粗大、 斑疤、夹层、重皮、皱纹、裂纹、飞边、折叠、白点等。
3. 使用过程中产生的：疲劳断口、脆性断裂、裂口、分层等缺陷。
钢中低倍组织结构的检验方法
一、表面质量检验法1.目的i. 避免因表面质量不良而造成在生产工艺上发生废品的损失、 降 低使用寿命； ii. 确定钢锭、钢坯、钢材及零件等是否必须经过中间清理或维 修工序； iii. 查明表面缺陷的类别、特征、对质量危害的程度，从而分析 其产生的原因，提供今后的改进质量的有效技术措施。二、敲击检验法 视小铁锤回跳情况与工件发出声音的情况来判断是否有裂纹。三、 断口质量检验法 1.目的 i. 检验常存的一些缺陷：缩孔、非金属夹杂物、夹砂、斑点、晶 粒粗大、晶粒不均、脱碳、气孔、带状组织、层状组织、白点等； ii. Cr-Ni，Cr-Ni-Mo，Cr 和高碳钢中的白点； iii. 分析产生断裂的原因与断裂的性质。四、 冷热酸蚀检验法 1.热酸蚀法：将酸的水溶液（1:1 盐酸）加热到 70~80℃时把试样
放置在溶液中，经过 15~30min 用热开水冲洗，热风吹干，可以看出 钢中的裂纹和其他低倍组织结构。2.冷酸蚀法：将试样放在不加热的酸液中，经一段时间以后再取 出试样， 用水冲洗， 热风吹干， 可以观察裂纹和其他渗碳层、 氧化层、 高频率加热淬火层、软点、晶粒粗大、脱碳等。冷酸蚀法还包括硫印 法、磷印法及氧印法等。3.目的 i. 热酸蚀法多用来检查钢材和钢坯的低倍组织缺陷， 看看是否符 合技术条件的规定； ii. 检查零件在加工处理后的工艺质量如：锻件的流线检查、渗 碳、氰化等处理后零件的层厚检查，以及高频率淬火零件的裂纹检查 等； iii. 推断零件的加工方法； iv. 用硫印法、磷印法及氧印法等分析工件开裂的原因； v. 配合其他检验方法研究结构中缺陷产生的原因，如：偏析原 因，带状组织是否与硫、磷有关等。五、 金属物理检验法 1.磁力探伤法检验破坏其连续性的缺陷，如折叠、重皮、表皮细小的丝纹、龟 裂等以及不磁化的废金属夹杂物。2.荧光探伤法这种油液在紫外 将能够发出荧光的油渗入被检查试样的缺陷中，
线的照射下能被激发而放出一种可见的荧光来， 就能从荧光出现处找 出缺陷存在的部位、形状、大小和裂纹类型来。裂纹、夹杂、疏松、 缩孔、折叠、过烧、龟纹、气孔、未淬透、白点等。3.X 及γ射线探伤法 4.超声波探伤法
显微组织结构内容 显微组织结构内容
晶粒大小、形状、取向、完整程度，晶界裂纹，晶粒中的细小裂 纹，相的种类及其相对比例、取向分布，夹杂和沉淀。
钢中显微组织结构的检验法
利用低倍组织结构检验法，检查钢中裂纹时仅能观测整个裂纹形 状，裂纹大小，所在部位及其深度等，不能判断其开裂的根源，用显 微组织结构可观察其特征，借此确定导致开裂的原因和发展过程。
如何决定钢材与钢制工件的质量
1.化学成分； 2.供货状态及供货状态下低倍组织和显微组织； 3.工艺性能； 4.经不同的加工处理后的机械性能； 5.几何尺寸，偏差。
检验裂纹的方法
1.肉眼表面观察法； 2.磁力或荧光探伤法； 3.X 光与超声波探伤法； 4.金相显微组织检验法。
检验裂纹时应注意的事项
1.首先观察裂纹存在的部位、大小、分布的方向和出现时裂纹在 形状上的特点，裂开的金属表面的颜色，裂纹的数量； 2.注意钢中各化学元素的含量是否正常，C、S、P、Mn、Sb、B、 Cu 等在裂纹处是否有偏析现象存在，特别是 S、P、Sb、B、Cu 等元 素是否产生了偏析； 3.裂口处的表面颜色和中心部的颜色、晶粒大小及显微组织是否 有变化，裂口是否有夹杂、夹砂等缺陷； 4.是否有对称分布； 5.还需进一步的观察裂纹周围的显微组织。i. 裂纹处的晶粒度，是穿晶还是沿晶； ii. 裂纹处是否有弥散碳化物（沿晶界，网状、条状、粒状） ，第 二相形状、大小、分布、数量等； iii. 裂纹处是否有非金属夹杂物， 硅酸盐、 氧化物、 硫化物等 （长 条状、偏析、连续状、断续状、块状、是否沿变形方向、是否非金属
夹杂物裂开） ； iv. 脱碳现象（数量、形状及分布） ； v. 开裂表面及周围是否存在氧化铁皮和回火颜色； vi. 产生裂纹中是否有α组织（魏氏组织） ，晶粒粗大以及 M 体、 T 体等组织。
钢中裂纹形成的主要原因
1.由于某种应力作用而引起的开裂i. 由于应力作用，可使钢锭发生纵向和横向的裂纹； ii. 当钢材在进行塑性变形时，由于应力作用，也能使钢材或零 件产生开裂； iii. 工件在进行热处理时，由于各种应力的作用，引起工件发生 开裂； iv. 热冲模、热锻模冷热波动结果形成热疲劳裂纹； v. 高合金钢及经过淬火处理的钢，由于内应力的关系，当其受 到腐蚀时，可能产生腐蚀裂纹； vi. 钢件经研磨加工时由于表面受到强烈的压力，结果表面遭受 热应力和组织应力产生裂纹； vii. 焊接钢件在焊后的冷却过程中，由于热应力和组织应力相互 作用，产生焊接裂纹。2.由于钢中所含的某一化学元素，在其超过最大的允许含量时， 由此引起钢的组织、结构、工艺性能或机械性能上的不良影响，从而
导致加工或使用时开裂：白点、热脆、冷脆（P） 。3.由于组织结构上存在的其他缺陷而产生的开裂：因缩孔与收缩 管等引起内部裂纹；带状组织引起的裂纹；加工、热处理不当致使碳 化物沿晶界析出成网状分布，因而产生深冲压开裂。4.由于在熔炼与浇铸过程中进入钢液的非金属夹杂物，或由于挤 入钢中的溶渣而引起的开裂。5.发纹：主要是来自钢液在熔炼及浇铸时，未能将高温时溶解在 其中的气体与非金属夹杂物等排除干净， 在其进行锻轧等压力加工时 便沿其塑性变形的方向形成直线状的细小裂纹。6.在很快的加热速度下，由于热应力而形成的内裂；当热状态下 进行太快的塑性变形所引起的内部裂纹；以及在冷拔加工时，由于压 缩形变的程度太大而引起的内裂等。7.由于折叠而形成的裂纹，由于飞边的存在而产生的锻折或轧 折； 8.钢件长时期的处于较高的温度和压力下工作时，由于碳、氢的 腐蚀作用而使钢件的表面产生开裂。9.钢件处于特殊的腐蚀剂中，在其受到腐蚀时，倘若又遇到外来 的机械负荷的影响，则会产生开裂。在软钢及奥氏体钢中沿作用应力 产生的晶间腐蚀即是这样。10.由于钢件在突然遭遇到高频率的弹性波的冲击时产生的震动 裂纹（ 炮弹、大炮、枪膛 ） 。
钢锭上常见的裂纹缺陷
1.钢模选型及设计与钢锭裂纹的关系：圆形锭模浇铸时形成纵 纹；钢锭模斜度太大形成横纹；钢锭的高度与模断之间的比例过小， 因锭模过高，使气体及非金属夹杂物难于排出导致锻轧开裂；钢锭的 圆锥度过小，由于冷凝速度过大出现中心疏松而轧裂；方型锭模的圆 角处易产生裂纹。2. 浇铸方法与钢锭裂纹的关系：上浇铸法所产生的裂纹要比下 浇铸法多；当钢液的浇铸速度增加时，钢锭裂纹增加；
第一篇:裂纹第五章
材料成形中的裂纹
天津大学 王惜宝
焊接裂纹的分类
图5-1 焊接裂纹的宏观形态及分布 a) T型接头的宏观裂纹 b) 对接接头的焊接裂纹 c) 焊缝收弧处的弧坑裂纹 1－焊缝中纵向裂纹 2－焊缝中横向裂纹 3－熔合区裂纹 4－焊缝根部裂纹 5－热影响区根部裂纹 6，7－焊趾裂纹 8－焊道下裂纹 9－层状撕裂 10－弧坑纵向裂纹 11－弧坑横向裂纹 12－弧坑星形裂纹
根据裂纹产生的机理，焊接裂纹可分为：
?焊接热裂纹 结晶裂纹 液化裂纹 多边化裂纹 ?焊接冷裂纹 延迟裂纹 淬硬脆化裂纹 低塑性裂纹 ?再热裂纹 ?层状撕裂 ?应力腐蚀裂纹 各种裂纹的基本特征如表5-1所示
第二节 焊接热裂纹
一、热裂纹的主要特征
?热裂纹出现时间在结晶后期，邻近固相线的温度范围内，焊后立即产生；
?结晶裂纹主要产生钢种在含碳、硫、磷等杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝中和单相奥 氏体钢、镍基合金以及某些铝合金的焊缝中 ； ?热裂纹主要分布位置在焊缝中心、弧坑，有的分布在焊缝的柱状晶晶界，有的分布 在热影响区的过热区
?热裂纹的显微特征产生具有沿晶开裂特征，它是沿原奥氏体晶界开裂，裂纹 尖端圆钝，裂纹表面还多伴随有氧化色彩 。
?热裂纹的产生与焊缝和热影响区中碳、硫、磷等杂质的含量及结晶 后期硫、磷等在晶界形成的低熔点共晶有关 ；
二、热裂纹的分类
(一) 结晶裂纹
焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的收 缩，残余液体金属不足而不能及时填充，在应力作用下 发生沿晶开裂，故称结晶裂纹。
(二) 液化裂纹
近缝区或多层焊的层间部位，在焊接热循环峰值温度 的作用下，由于被焊金属含有较多的低熔点共晶而被重 新熔化，在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶界发生开裂
(三) 多边化裂纹
焊接时焊缝或近缝区在固相线稍下的高温区间，由于 刚凝固的金属中存在很多晶格缺陷(主要是位错和空位)及 严重的物理和化学不均匀性，在一定的温度和应力作用 下，由于这些晶格缺陷的迁移和聚集，便形成了二次边 界，即所谓“多边化边界”。因边界上堆积了大量的晶 格缺陷，所以它的组织性能脆弱，高温时的强度和塑性 都很差，只要有轻微的拉伸应力，就会沿多边化的边界 开裂，产生所谓产多边化裂纹”
三、结晶裂纹形成的机理
结晶裂纹是在液态薄膜和拉应力共同作用下产生的，其中 ?液态薄膜是产生结晶裂纹的内因， ?而拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条件
１. 结晶过程中焊缝金属的塑性 (1) 液固阶段：
(2) 固液阶段(3) 完全凝固阶段：
(二) 结晶裂纹形成的条件
1. 应变按曲线1变化 在固 相线Ts附近的应变为△e， 此时焊缝的塑性储备量 △es=Pmin-△e & 0，此时不 会产生结晶裂纹。2. 应变按曲线2变化 在固 相线Ts附近，焊缝的塑性储 备量△es=Pmin-△e ＝ 0,应变 △e恰好与焊缝金属的最低
塑性值Pmin相等，此时处于临界状态。
3. 应变按曲线3变化 在固相线Ts附近，焊缝的塑性储备量 △es=Pmin-△e & 0 焊缝应变值△e已超过焊缝金属的最低塑性值 Pmin，此时必然产生裂纹。
四、 影响结晶裂纹的因素及防止措施
是否产生结晶裂纹取决于 1、焊缝金属的脆性温度区间TB 的大小；2、脆性温度区内的最小塑性Pmin；3、脆性温度区内 应变增长率，4、这些因素之间的相互关系。因此, 从本质上看，影响结晶裂纹的因素主要可归纳为冶 金因素和力的因素 (一) 冶金因素对结晶裂纹的影响 1. 结晶温度区间的影响合金状 态图中结晶温度区间越大,脆性温度 区间也越大,结晶裂纹倾向越大
2. 硫、磷的影响 3、碳的影响 碳不仅本身会显著增大结晶温度区间(见图)，而且还会加剧硫、 磷的偏析 （因为液相中的先析出相由δ相转变为γ相 ）
S P δ 相 0.18 2.80 γ 相 0.05 0.25
4、其它合金元素的影响 (1) 锰的影响 锰具有脱硫作用，同时也能改善硫化物的分布形态 使薄膜状FeS改变为球状分布的MnS，提高了焊缝的抗裂性 (2)硅的影响 硅是δ相形成元素，应有利于消除结晶裂纹，但硅 含量超过0.4%时，容易形成硅酸盐夹杂，从而增加了裂纹倾向
(3)钛、锆和稀土 近年来发现，钛、锆和镧、铈等稀土元素能 形成高熔点的硫化物。例如，TiS的熔点约为℃、 ZrS熔点为2100℃、La2S3 熔点在2000℃以上、CeS熔点2450℃。因此，采用钛、锆和镧、铈等稀土元素的脱硫效果比锰还好 (MnS熔点1610℃)，故对消除结晶裂纹有良好作用[5]。
(4)镍 镍在低合金钢中易于与硫形成低熔共晶(Ni与Ni3S2的共 晶熔点仅645℃)，因此会引起结晶裂纹
5. 一次结晶组织形态的影响
焊缝在结晶后，晶粒大小、形态和方向，以及析出的初生相等对 抗裂性都有很大的影响。晶粒越粗大，柱状晶的方向越明显，则产 生结晶裂纹的倾向就越大。
（二）工艺因素的影响及防治措施
1. 冷却速度的影响 接头的冷却速 度越大，所产生的应变率也越大 2. 焊接速度的影响 3. 焊缝形状的影响 4. 焊接次序的影响 5. 减小熔合比 6. 采用适当的运条手法
四、液化裂纹
(一) 液化裂纹的特征
液化裂纹是在高温下近缝区的 奥氏体晶界出现的一种微裂纹，它的尺寸很小，一般在0.5mm以下， 个别裂纹可达1mm，属于显微裂纹，多出现在焊缝熔合线的凹陷区 （具表面约3～7mm）和多层焊的层间过热区，
(二) 液化裂纹的形成机理 液化裂纹虽然同属于热裂纹，但它与结晶裂纹不同的是液化裂纹 不是在结晶过程中产生的，而是在焊接峰值温度的作用下，导致近 缝区奥氏体晶界处的低熔点共晶重新液化，该部位金属的强度及塑 性急剧降低，在拉应力作用下沿奥氏体晶界开裂而形成的裂纹。(三) 影响液化裂纹的因素及防治措施 冶金因素：铬、镍、硼等元素的晶界偏析 工艺因素：主要体现在线能量和焊缝形状上
五、多边化裂纹和高温失延裂纹的形成
在热影响区(包括多层焊时前一焊道的热影响区)温度低于固 相线的部位，不存在液态薄膜，也会产生晶间断裂而形成高 温裂纹。这种裂纹大多属于多边化裂纹或高温失延裂纹。在纯金属或单相奥氏体焊缝或近缝区中，刚凝固的金属存 在很多晶格缺陷，晶格缺陷在高温条件下的扩散聚集形成低 塑性的二次边界（多边化晶界），在收缩应力的作用下由多 边化晶界产生多边化裂纹。在其它材料的焊接热影响区中，在高温条件下由晶内晶界 的不均匀变形加上晶界的缺陷聚集而失强、失塑导致的晶界 开裂属于高温失延裂纹。
焊接冷裂纹
一、 冷裂纹的分类
(一) 延迟裂纹
这种裂纹是冷裂纹中一种普遍形态，它的主要特点是不在焊后立即出现，而是 有一定孕育期，具有延迟现象 1. 焊趾裂纹 2. 焊道下裂纹 3. 根部裂纹
(二) 淬硬脆化裂纹(或称淬火裂纹)
它完全是由冷却时马氏体相变而产生的脆性造成的，这种裂纹基本上没有 延迟现象，焊后可以立即发现，有时出现在热影响区，有时出现在焊缝上
(三) 低塑性脆化裂纹
某些塑性较低的材料，冷至低温时，由于收缩力而引起的应变超过了材质 本身所具有的塑性储备而产生的裂纹
二、冷裂纹的特征
1. 容易出现冷裂纹的钢种
冷裂纹常产生在中、高碳钢，低合金高强钢和钛合金等金属材料焊接接头中 。这与钢种的淬硬倾向有关。淬硬倾向越大的钢种，冷裂纹倾向越大。
2. 形成冷裂纹的温度
冷裂纹是在材料的马氏体转变点（Ms）以下。
3.冷裂纹的延迟特征
冷裂纹可以在焊后立即出现，也有时要经过一段时间(几小时，几天甚至更 长)才出现。且随时间延长逐渐增多并扩展。
4. 冷裂纹的开裂形式
冷裂纹多出现在焊接热影响区，有时也出现在焊缝。冷裂纹的断裂与热裂纹 不同，它是既有沿晶、又有穿晶开裂的复杂断口。
三、 焊接冷裂纹的形成机理
高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素:
钢种的淬硬倾向、焊接接头氢含量及其分布，接头所承受的拘束应力状态
(一) 钢中的淬硬倾向 钢种的淬硬倾向主要决定于化学成分、板厚、焊接工艺和 冷却条件等。焊接时，钢种的淬硬倾向越大，产生裂纹的倾向 越大。其原因为1. 形成脆硬的马氏体组织 ：对裂纹和氢脆的敏感性很大 2. 淬硬会形成更多的晶格缺陷：钢种的淬硬倾向越大，组织的硬 脆性越大，位错密度越大；空位和位错在应力作用下发生移动 和聚集，形成裂纹源裂纹乃至裂纹的倾向也越大
组织对裂纹敏感性大致顺序（小 大） 铁素体或珠光体－下贝氏体－低碳马氏体－上贝氏体－粒状贝 氏体－M-A组元－高碳马氏体
(二) 氢的作用
? 氢是引起高强钢焊接冷裂纹重要因素之一，并具有延迟特征， 因此，在许多文献上把氢引起的延迟裂纹称为“氢致裂” (Hgdrogen induced Crack) ? 高强钢焊接接头的含氢量越高，则裂纹的敏感性越大，当局部 地区的含氢量达到某一临界值时，便开始出现裂纹[6]，此值称为产 生冷裂纹的临界含氢量［H］cr ，产生冷裂纹的［H］cr 并不是一 定值，它与钢种的化学成分、结构刚度、预热温度及冷却条件等 有关。? 钢中引起冷裂纹的氢含量是指钢中的扩散氢含量，尤其是当冷却 到100℃以下时，焊缝中的扩散氢已不易向外扩散逸出，而是向某 个部位扩散集聚而引起裂纹
1. 焊缝中氢的溶解与扩散 来源：焊接时焊接材料、坡口表面的铁锈、油污、空气中水分 中的氢会熔入焊缝金属 溶解与扩散：氢在铁素体中的扩散速度要显著大于奥氏体中 氢在铁素体中的溶解度小，扩散速度大；相反，氢在奥氏 体中溶解度大，扩散速度小。
2. 氢在焊接接头中的扩散集聚 ? 焊接低合金高强钢时，焊缝冷却时焊缝的相变点也总是高于母材
(因为，为了改善焊接性，焊缝的含碳量总是低于母材)
? 所以，焊缝中的H中冷却过程中要先从焊缝向母材HAZ区扩散，由于氢在 HAZ奥氏体中的扩散速度较小，不能很快把氢扩散到距熔合线较远的母材中去， 因而在熔合线附近就形成了富氢地带。?当滞后相变的HAZ由奥氏体向马氏体转变时(TAM)，氢便以过饱和状态残留在 马氏体中，促使这个地区进一步脆化,为延迟裂纹的产生创造了条件。
3. 延迟裂纹的开裂机理 充氢钢拉伸试验时出现代现象：
?断裂时，存在一个“上临界应
力σuc”和 “下临界应力σLc”。?当应力在σuc和σLc之间时，就 会出现由氢引起的延迟断裂 ?钢延迟裂纹只是在一定的温 度区间(-100～+100℃)发生， 温度太高则氢易逸出，温度太 低则氢的扩散受到抑制，因此 都不会产生延迟现象的断裂 ?延迟裂纹的产生还与钢的组 织具有密切的关系 :低碳（铁 素体）钢和奥氏体钢都不会发 生延迟裂纹 ?氢的应力诱导扩散开裂理论
(三) 焊接接头的应力状态
1.焊接热应力 由于焊接属于不均匀加热及冷却过程，因此会引起不均匀的膨 胀和收缩，焊后将会产生不同程度的残余应力。这种应力的大小与 母材和填充金属的强度、热物理性质和结构的刚度有关。强度越高、 线胀系数越大及结构刚度越大时残余应力越大。对于屈服点较低的 低碳钢，残余应力可达σs的1.2倍。2. 金属相变产生的组织应力 由于相变时的体积膨胀，将会降低焊后收缩时产生的拉伸应力 3. 结构自拘束条件所造成的应力 这种应力包括结构的刚度、焊缝位置、焊接顺序、构件的自重 、负载情况，以及其他受热部位冷却过程中的收缩等均会使焊接接 头承受不同的应力。
上述三种应力的综合作用统称为拘束应力
焊接拘束应力的大小决定于受拘束的程度，可以采用拘束度R来表 示。拘束度分为拉伸拘束度和弯曲拘束度，通常所谓拘束度常指拉 伸拘束度。拉伸拘束度的定义：焊接接头根部间隙产生单位长度的弹性位移时， 单位长度焊缝上所需要的力。
R ? F ? ? ?1 ? E
(N/(mm? mm))
式中 δ――板厚 E－母材的弹性模量 （N/mm2） F－拉伸应力（N/mm2） L－拘束距离(mm)
? 拘束度R与板厚δ成正比，而与拘束距离L成反比。因此，调节δ和 L的数值可改变拘束度的大小。当L越小，δ增大时，则拘束度增大。? 当R值增大到一定程度时就产生裂纹，这时的R值称为临界拘束度 (Rcr)。? 若接头的临界拘束度Rcr 值越大，就表示该接头的抗裂性越强。? 作为拘束度的估计，大板厚时可用：R≈700δ 在板厚小于50mm时：R≈400δ ? ? mR
? 不同钢种焊接时，冷却到室温所形成的拘束度与拘束应力的关系 如图5-27所示。其关系式如下?=mR 式中 m－拘束应力转换系数，它与钢的线胀系数、力学熔点、 比热容、以及接头的坡口角度有关。对于低合金高强钢手工电弧 焊时，=(3～5)×10-2。
四、延迟裂纹的判据
1、单因素判据 碳当量法最高硬度法临界拘束度法临界氢含量法临界冷却速度法其中碳当量法和最高硬度法应用最为方便和普遍。2、综合判据 1、 根部裂纹敏感指数
[H ] ? ? 60 600 [H ] R Pc ? Pcm ? ? 60 400000 Pc ? Pcm ?
Pcm ? Si Mn ? Cu ? Cr Ni Mo V ? ? ? ? ? 5B 30 20 60 15 10
2、综合判据
（1） 根部裂纹敏感指数
Pc ? Pcm ? [H ] ? ? 60 600
Pw ? Pcm ?
[H ] R ? 60 400000
其中 Pcm ?
Si Mn ? Cu ? Cr Ni Mo V ? ? ? ? ? 5B 30 20 60 15 10
防止冷裂所需的预热温度：
T 0(℃) ? 1440Pw ? 392
（2） 产生冷裂纹的临界拘束应力σcr
焊接时，随着拘束应力的增大，冷裂倾向增大，当拘束应力增大到刚刚 产生裂纹时，此时的应力称为临界拘束应力σcr。
临界拘束应力σcr实际上反映了钢的化学成分、氢含量、冷却速度和应力 状态等多种因素的影响。
σcr可利用TRC、RRC和插销试验等方法定量的确定产生冷裂纹的临界应 力
日本插销试验得出的经验公式：
σcr＝(86.3－211Pcm-28.21lg([H]+1)+2.73t8/5+9.7×10-3t100))×9.8
国产钢经验公式 σcr＝(132.3-27.5lg([H]+1)-0.216Hv+0.) ×9.8
式中 Hv－热影响区的最大平均维氏硬度
用计算或实测的σ 与σcr 比较， σcr ≥σ 不产生裂纹，反之 σcr≤σ 产生裂纹
(3) 冷至100℃时的临界冷却时间(t100)cr
它反映了被焊钢种的化学成分、含氢量、焊接线能量和焊接拘束条件等诸 多因素综合作用的影响，其判断结果具有较高的可靠性
(t100)cr=370.84Pcm+73.22lg([H]+1)+1.46E +0.012(R+△R)-43.59
式中 Pcm－被焊钢中的碳当量; [H]－按GB3965－83测定的扩散氢含量 (ml/100g)。E－焊接线能量(KJ/cm); R－拉伸拘束度(N/mm.mm)； △ R－局部预热引起的附加拘束度(N/mm.mm)； △R=
Rα B(Tp - T0) hwm
式中 α－被焊钢的线胀系数(℃-1)，一般低合金钢α=1.45×10-5/℃-1； B－局部预热的宽度 (mm)； Tp－局部预热温度(℃)； T0－初始环境温度(℃)；hw－初始焊缝的平均厚度(mm)， M－拘束系数，一般低合金钢，m=(3~5) ×10-2
比较实际焊接条件下的t100和(t100)cr，即可确定是否产生冷裂纹。t100≥(t100)cr 不产生裂纹；t100≤(t100)cr 产生裂纹。
五、防止冷裂纹的措施
1、 控制母材化学成分 母材化学成分影响钢材的淬硬倾向，对裂纹的产生具有决定性 的作用 2、合理选择焊接材料 （1） 选用低氢和超低氢焊接材料及焊接方法 （2 ） 严格烘干焊条、焊剂 （3） 选用低匹配焊条 （4）奥氏体焊条 3、制定合理的焊接工艺 焊接线能量 ：过大导致粗晶，过小导致淬硬 预热温度的选择：过高会恶化条件，产生附加应力， 预热温度的选择:
T 0(℃) ? 1440Pw ? 392
紧急后热：
最低后热温度可参考下列公式确定[9]Tp=455.5[Ceq]p-111.4
式中 Tp ―后热的下限温度(℃)； [Ceq]p―确定后热下限温度的碳当量(％)，详见教材 多层焊与层间温度 加强施工质量管理
第四节 特殊条件下的裂纹
一、 再热裂纹
? 对于某些含有沉淀强化元素的钢种，往往焊后并未发现裂纹，可
是在消应处理之后，却产生了所谓的“消除应力处理裂 纹”(Stress Relief Cracking)，简称SR裂纹。? 也有一些焊接结构，焊后没有裂纹，可是由于在500―600℃的高 温下长期工作，结果也出现了裂纹。? 这两种情况下产生的裂纹统称为“再热裂纹”(Reheat Crack)
(一) 再热裂纹的主要特征 ? ? 再热裂纹敏感的钢种 再热裂纹只产生在含有一定数量Cr、 Mo、V等沉淀强化元素的钢中 再热裂纹敏感的温度区间 再热裂纹的产生有一个敏感温 度区间。对于一般的低合金钢，再热温度敏感区间约为 500-700℃，它随钢种的不同而变化 再热裂纹产生的部位 再热裂纹产生在HAZ的粗晶区， 具有典型的晶间开裂特征。有时裂纹并不连续，呈断续 状，遇到细晶区就停止发展。再热裂纹产生的应力条件 在消除应力处理之前，焊接区 存在有较大的残余应力，并有不同程度的应力集中，二 者必须同时存在，否则不会产生再热裂纹。
(二) 再热裂纹的形成机理
再热裂纹的发生与再热过程中发生的晶界弱化和晶界强化有关。1. 晶间杂质析集对晶界弱化的作用 在500-600℃的再热过程中，钢中的P、S、Sb、Sn、As等元素 都会向晶界析集，因而大大降低了晶界的塑性变形能力 2. 晶内沉淀强化作用 沉淀强化元素Cr、Mo、V、Ti、Nb等的碳、氮化物在一次焊 接热作用下，因受热(高于1100C时)而固溶在高温奥氏体中，在 焊后冷却时来不及充分析出，在二次再热时，这些元素的碳、 氮化物在晶内沉淀析出，使晶内强化
二、 层状撕裂
(一) 层状撕裂的特征 产生层状撕裂(Lamellar Tear)的接头形式大型厚壁结构的T型接头、十字接头和角接头焊接时会沿板的厚 度方向出现较大的拉伸应力，常称为Z向应力，这是产生层状撕 裂的应力源。其它接头，如对接接头没有此种应力，因此，一般不会产生层状 撕裂。层状撕裂的产生与夹杂物的层状分布状态有关 层状撕裂与冷裂纹不同，它的产生与钢的强度级别无关，主要与 钢中的夹杂物的数量及层状分布形态有关 层状撕裂的形态 层状撕裂的典型形态为阶梯状，它是由基本平行于轧制方向的平 台裂纹和大体垂直于平台的剪切壁(ShearWalls)（直壁裂纹）所 组成。
层状撕裂产生的位置 这种裂纹在钢表面上难以发现，一般多出现在热影响区或是母材 深处
?在焊接热影响区焊趾或 焊根处由冷裂纹而诱发 形成的层状撕裂；这种 裂纹的形成往往与氢含 量有关。
?在焊接热影响区沿夹杂 开裂，是工程上最常见 的层状撕裂；
?远离热影响区的母材中 沿夹杂开裂，这种情况 多出现在有较多MnS的 片状夹杂的厚板结构中。
层状撕裂主要发生在低合金高强钢的厚板焊接结构中，多用于 海洋采油平台、核反应堆压力容器及潜艇外壳等重要结构。一 旦产生层状撕裂，也难以修复，往往会造成巨大的经挤损失或 灾难性事故
三、 应力腐蚀裂纹
应力腐蚀裂纹(Stress Corrosion Cracking,简称SCC)是在拉应力和腐蚀 介质的共同作用下产生的一种裂纹，它并不是焊接接头所特有的裂 纹，即便是不经过焊接的母材，在特定条件下同样会产生应力腐蚀 裂纹。只不过焊接残余应力的存在加大了这种裂纹在焊接接头中的 开裂倾向 SCC的产生必须具备如下三个条件，即：合金、介质、拉应力。只 有当合金与介质的组配具有SCC倾向时，在拉应力的作用下才会产 生应力腐蚀裂纹
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