材料成形中的裂纹.ppt

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1、第五章 材料成形中的裂纹,天津大学 王惜宝,第一节 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

2、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

3、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

4、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,.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P

5、min，此时必然产生裂纹。,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,四、影响结晶裂纹的因素及防止措施,(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,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相转变为相）,2.硫、磷的影响,相 相 S 0.18 0.05 P 2.80 0.25,

6、4、其它合金元素的影响锰的影响 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20002100、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(

7、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,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

8、区（具表面约37mm）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

9、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。,第三节 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

10、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

11、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

12、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Hcr，产生冷裂纹的Hcr 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,

13、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

14、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uc”和“下临界应力Lc”。,当应力在uc和Lc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,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

15、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s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

16、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。,L,1,1,w,(N/(mmmm),式中板厚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与板厚成正比，而与拘束距离L成反比。因此，调节和L的数值可改变拘束度的大小。当L越小，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：R700 在板厚小于50mm时：R400,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

17、示。其关系式如下：=m R 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，=(35)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,2、综合判据（1）根部裂纹敏感指数,其中,防止冷裂所需的预热温度：,（2）产生冷裂纹的临界拘束应力cr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cr。临界拘束应力cr实际上反映了钢的化学成分、氢

18、含量、冷却速度和应力状态等多种因素的影响。cr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：cr(86.3211Pcm-28.21lg(H+1)+2.73t8/5+9.710-3t100)9.8国产钢经验公式 cr(132.3-27.5lg(H+1)-0.216Hv+0.0102t100)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 与cr 比较，cr 不产生裂纹，反之 cr 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

19、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GB396583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=式中 被焊钢的线胀系数(-1)，一般低合金钢=1.4510-5/-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=(35)10-2,比较实际焊接条件下的t100和(t100)cr，即可确定

20、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:,紧急后热：最低后热温度可参考下列公式确定9：Tp=455.5Ceqp-111.4 式中 Tp 后热的下限温度()；Ceqp确定后热下限温度的碳当量()，

21、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500600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

22、，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、

23、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

24、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,谢谢浏览！请留下宝贵建议！,