第三节 冷裂纹
冷裂纹在低合金高强度结构钢中的产生和预防
冷裂纹在低合金高强度结构钢中的产生和预防
学号：B
学院：洛阳理工学院
系别：机电工程系
姓名：朱罗北
教师：闫红彦
摘要：低合金高强度结构钢在产品制造中的应用越来越广，这就要求我们对低合金高强度结构钢的性能和特点有更进一步的认识和了解，因此，本文就低合金高强度结构钢在焊接过程中冷裂纹的产生原因和预防措施作了总结和归纳，帮助学生更好地掌握本章的知识点，为今后的实际操作打下理论基础。
关健词：低合金高强度结构钢冷裂纹原因措施
低合金高强度结构钢简称低合金高强钢，它是在碳素钢的基础上加入总量不超过5%的合金元素，来获得高强度、高韧性或其他特殊性能的合金材料。按国家标准，以热轧和正火状态供货的低合金高强钢，按其屈服点可分为5类：即Q295、Q345、Q390、Q420、Q460，以热处理状态供货的低合金高强度钢，按其屈服点可分为6类：即Q420、Q460、Q500、Q550、Q620和Q690，质量等级都为A、B、C、D、E、5级。在目前使用的焊接结构中，屈服点在500MPa以下的各种低合金高强钢应用最普遍，这类钢由于采用了先进的冶炼技术和热处理技术，不仅具备了较高的综合力学性能，而且还具备不同类型的工程结构所需要的特殊性能，使低合金高强钢在许多行业都得到了广泛的应用，并已有逐步取代普通碳素结构钢的趋势，由于这类钢的供货状态决定了钢中的主要缺陷为冷裂纹和热影响区脆化，而这些缺陷将直接影响到焊接接头的质量，因此，理解和掌握这些缺陷在钢中的产生原因和预防措施，就尤为重要，为帮助学生扎实掌握本章
节的重点和难点，为今后的实际操作打下理论基础，下面就冷裂纹在低合金高强钢中的产生原因和预防措施，作一分析。
解析冷作模具裂纹形成原因
解析冷作模具裂纹形成原因
【摘要】
冷作模具在工业生产中扮演着重要的角色，然而裂纹的出现会影响模具的使用寿命和加工质量。本文从内应力、使用条件、材料和工艺等方面分析了冷作模具裂纹形成的原因。内应力是主要因素之一，不良的使用条件也会导致模具的损伤。正确选择材料和工艺可以减少模具裂纹的风险，而加强管理与维护则能延长模具的寿命。最后总结了冷作模具裂纹形成的原因，提出了预防措施，包括加强模具的协调使用和定期维护，以确保模具的良好状态和性能。通过本文的分析和建议，可以帮助生产企业有效解决冷作模具裂纹问题，提高生产效率和产品质量。
【关键词】
冷作模具、裂纹、形成原因、金属材料、内应力、使用条件、材料选择、工艺选择、管理、维护、预防措施
1. 引言
1.1 什么是冷作模具
冷作模具是指在室温下进行加工或成型的模具，通常用于对金属材料进行冷变形加工。冷作模具通常用于生产各种零部件，如汽车零件、家电零件等。与热作模具相比，冷作模具具有成本低、寿命长、加工精度高等优点。
冷作模具是在室温下进行工作的模具，是在金属材料的塑性变形温度以下进行变形加工的模具。冷作模具的工作原理是利用工件在外力作用下的塑性变形来获得所需形状和尺寸的工件。在冷作模具中，工件受到冷变形的变形应力，使工件的形状和尺寸发生变化。
冷作模具在现代制造业中具有非常重要的地位。它不仅可以提高生产效率，还可以提高产品的质量和精度。冷作模具的质量和性能直接影响到产品的质量和成本，因此冷作模具的设计、制造和使用都需要非常谨慎。在实际工作中，冷作模具经常会出现裂纹等问题，这不仅影响了冷作模具的使用寿命，更会对生产造成严重影响。了解冷作模具裂纹形成的原因，对于提高冷作模具的寿命和效率至关重要。
焊接冷裂纹产生原因及防止措施
焊接冷裂纹产生原因及防止措施
1.原因：
1.1材料的选择不当：焊接材料的化学成分不合适，或者材料含有较高的残留应力，容易导致冷裂纹的生成。
1.2焊接过程中的热输入不合适：焊接过程中产生的热量和焊接速度不合理，容易造成焊缝和母材之间的温度差异，从而导致冷裂纹的生成。
1.3焊接残余应力：焊接后，热量的收缩导致焊缝和母材之间的残余应力，这些应力容易导致冷裂纹的生成。
1.4接缝设计不合理：接缝的形状和尺寸设计不合理，例如锯齿形的接头，容易导致应力集中，增加冷裂纹的风险。
1.5焊接过程中的不合理操作：焊接过程中出现的不合理操作，例如焊接速度太快或太慢，焊接温度不稳定，都会增加冷裂纹的发生风险。
2.防止措施：
2.1合理选择焊接材料：选择合适的焊接材料，确保化学成分符合要求，并且没有过高的残余应力。
2.2控制热输入：控制焊接过程中的热输入，一方面要保证足够的热能输入，使焊缝和母材温度均匀，另一方面要避免过高的热输入，以免造成过大的残余应力。
2.3使用预热和后热处理：对于容易产生冷裂纹的材料和结构，可以采用预热和后热处理的方法来减少焊接过程中的残余应力。
2.4设计合理的焊缝：在设计焊缝时，应尽量避免锯齿形的接头，可
以采用圆弧形或其他形状，以减少应力集中。
2.5严格控制焊接过程参数：焊接过程中应严格控制焊接速度、焊接
压力和焊接温度等参数，确保稳定和合理的焊接条件。
2.6检测和治理裂纹：焊接后应对焊缝进行严格的裂纹检测，如超声
波检测、磁粉检测等，一旦发现裂纹，应及时采取治理措施，包括打磨、
退火或重新焊接等。
防止冷裂纹的措施
防止冷裂纹的措施
防止冷裂纹的措施包括：
1. 控制冷却速度：尽可能避免材料在快速冷却的情况下发生冷裂纹。可采用缓慢的冷却速率或使用适当的保温材料。
2. 预热和后热处理：对于一些容易产生冷裂纹的材料，如高碳钢和合金钢，可以通过预热或后热处理来减轻冷裂纹的发生。预热可以使材料温度均匀，减少内部应力。
3. 控制焊接参数：合理选择焊接电流、电压、速度和焊接角度等参数，以控制焊接热输入，并减少焊接过程中材料的快速冷却。
4. 使用适当的焊接材料：选择与母材相容并具有良好韧性的焊接材料，以减少冷裂纹的发生。
5. 适当设计结构：合理设计结构中的连接部位，尽量避免或减小注焊角度过大、直接焊接应力集中等情况，从而减少冷裂纹的发生。
6. 检测和评估：在焊接完成后，进行相应的非破坏性和破坏性检测，以评估焊接接头是否存在冷裂纹，并采取相应的措施修复或更换。
请注意，以上措施仅供参考，具体措施应根据具体的材料和焊
接工艺来确定。在进行任何焊接工作之前，建议咨询专业焊接工程师或相关专业人士。
热裂纹和冷裂纹产生的原因
热裂纹和冷裂纹产生的原因
一、热裂纹的特征
热裂纹常发生在焊缝区，在焊缝结晶过程中产生的叫结晶裂纹，也有发生在热影响区中，在加热到过热温度时，晶间低熔点杂质发生熔化，产生裂纹，叫液化裂纹。
特征：沿晶界开裂（故又称晶间裂纹），断口表面有氧化色。
（2）热裂纹产生原因：
①晶间存在液态间层
焊缝：存在低熔点杂质偏析 } 形成液态间层
热影响区：过热区晶界存在低熔点杂质
②存在焊接拉应力
（3）热裂纹的防止措施：
①限制钢材和焊材的低熔点杂质，如S、P含量。
②控制焊接规范，适当提高焊缝成形系数（即焊道的宽度与计算厚度之比）枣焊缝成形系数太小，易形成中心线偏析，易产生热裂纹。
③调整焊缝化学成分，避免低熔点共晶物；缩小结晶温度范围，改善焊缝组织，细化焊缝晶粒，提高塑性，减少偏析。
④减少焊接拉应力
⑤操作上填满弧坑
1 / 2
二、冷裂纹的形态和特征
焊缝区和热影响区都可能产生冷裂纹，常见冷裂纹形态有三种
冷裂纹形态 { 焊道下裂纹：在焊道下的热影响区内形成的焊接冷裂纹，常平行于熔合线发展
焊指裂纹：沿应力集中的焊址处形成的冷裂纹，在热影响内扩展
焊根裂纹：沿应力集中的焊缝根部所形成的冷裂纹，向焊缝或热影响发展
a-焊道下裂纹； b-焊趾裂纹；c-焊根裂纹
特征：无分支、穿晶开裂、断口表面无氧化色。
最主要、最常见的冷裂纹为延迟裂纹（即在焊后延迟一段时间才发生的裂纹-------因为氢是最活跃的诱发因素，而氢在金属中扩散、聚集和诱发裂纹需要一定的时间）。（2）延迟裂纹的产生原因
①焊接接头存在淬硬组织，性能脆化。
②扩散氢含量较高，使接头性能脆化，并聚集在焊接缺陷处形成大量氢分子，造成非常大的局部压力。（氢是诱发延迟裂纹的最活跃因素，故有人将延迟裂纹又称氢致裂纹）
常见焊接裂纹的解析
常见焊接裂纹的解析
焊接裂纹，焊接件中最常见的一种严重缺陷。在焊接应力及其他致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成的新界而所产生的缝隙。它具有尖锐的缺口和大的长宽比的特征，按照形成的条件可分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹和层状撕裂等四帧
一、冷裂纹
冷裂纹是在焊接过程中或焊后，在较低的温度下，大约在钢的马氏体转变温度（即Ms 点）附近，或300〜200C以下（或TV0.5Tm, Tm为以绝对温度表示的熔点温度）的温度区间产生的，故称冷裂纹。冷裂又可分为延迟裂纹、淬火裂纹和低塑性脆化裂纹。
（一）产生条件
1.焊接接头形成淬硬组织。由于钢的淬硬倾向较大，冷却过程中产生大量的脆、硬，而且体积很大的马氏体，形成很大的内应力。接头的硬化倾向：碳的影响是关键，含碳和貉虽:越多、板越厚、截积越大、热输入量越小，硬化越严重。
2.钢材及焊缝中含扩散氢较多，氢原子在缺陷处（空穴、错位）聚积（浓集）形成氢分子，氢分子体积较氢原子大，不能继续扩散，不断聚积，产生巨大的氢分子压力，甚至会达到几万个大气压，使焊接接头开裂。许多情况下，氢是诱发冷裂最活跃的因素。
3.焊接拉应力及拘朿应力较大（或应力集中）超过接头的强度极限时产生开裂。
（二）产生原因：可分为选材和焊接工艺两个方面。
1.选材方而
（1）母材与焊材选择匹配不当，造成悬殊的强度差异；
（2）材料中含碳、、铝、锐、硼等元素过髙，钢的淬硬敏感性增加。
2.焊接工艺方面
（1）焊条没有充分烘干，药皮中存在着水分（游离水和结晶水）：焊材及母材坡口上有油、锈、水、漆等：环境湿度过大（＞90%）；有雨、雪污染坡口。以上的水分及有机物，在焊接电弧的作用下分解产生H,使焊缝中溶入过饱和的氢。
焊接冷裂纹产生机理影响因素及防治措施
焊接冷裂纹产生机理影响因素及防治措施
一、冷裂纹的一般特征
1、产生温度Ms点附近或200～300℃以下温度区间
2、产生的钢种和部位
发生在高碳钢、中碳钢、低合金、中合金高强钢，热影响区合金元素多的超高强钢、Ti合金发生在焊缝
3、裂纹的走向：沿晶、穿晶
4、产生时间
可焊后立即出现，也有的几小时，几天、更长时
间
延迟裂纹：不是在焊后马上出现的要经过一定时
间才出现的裂纹—延迟裂纹
延迟裂纹是冷裂纹中一种最普遍的形态，它不是
焊后出现，因此危害性更大
延迟裂纹三种形态
1）、焊趾裂纹—缝边裂纹
起源于焊缝和母材的交界处，并有明显应力集中的地方，裂纹的取向经常与焊缝纵向平行，由焊趾
的表面开始，向母材的深处延伸
2）、焊道下裂纹
发生在淬硬倾向较大，含氢较多钢种的焊接热影响区，裂纹取向与熔合线平行，但也有时垂直于
熔合线
3）、根部裂纹
起源于应力集中的焊缝根部，可能发生在焊接热影响区，也可能发生在焊缝（含氢量高，预热
不足）
二、延迟裂纹的机理
高强钢焊接时产生延迟裂纹的原因主要是：钢种的淬硬倾向；焊接接头的含氢量及其分布，焊接接头的拘束应力。
延迟裂纹的开裂过程存在这两个不同的过程，即裂纹的起源和裂纹的扩展，扩展到一定情况下，发生断裂，我们只从宏观的角度阐述一下产生延迟裂纹的三要素。
1、钢种的淬硬倾向
焊接接头的淬硬倾向主要决定于钢种的化学成分，其次是焊接工艺，结构板厚及冷却条件。
钢种淬硬倾向越大，越容易产生裂纹，其原因为
1）、形成脆硬的马氏体
i)、马氏体的形状
条状马氏体：低碳马氏体，含碳量小于0.3%C，呈条状Ms点较高，在转变后起到自行回火作用，因此有一定韧性如低碳钢、低碳合金钢
冷裂纹产生的原因
冷裂纹产生的原因
问题一：冷裂纹的产生原因
金属材料焊接产生裂纹的原因，谈谈我自己的看法1、就是焊缝组织冷却过程中收缩产生的应力超过了熔池金属的抗拉强度2、焊缝表面结晶过程中，由于析出低熔点共晶物，脆性较大，焊缝收缩过程产生裂纹预防措施： 1、坡口制备，必须严格按照WPS要求，有时候为了弥补工人的失误，把坡口间隙调整到很大，显然，这样的坡口待焊接完一层后，由于面积过大，热量散失很快，凝固速度很快，容易产生裂纹2、预热，严格按照WPS要求，温度比较低及厚板环境下，热量散失也很快，必要的预热是需要的3、焊材匹配，尽量选用同母材强度匹配的焊接材料；4、焊材烘烤，严格按照公司焊接材料管理制度要求进行烘烤，避免潮湿状态下的H致裂纹5、打磨去除表面的裂纹，不得试图用熔合的方式去除裂纹6、焊接到一定厚度时应使用锤击的方式部分消除应力，防止最终应力过大导致裂纹产生个人总结，不全面。。。个人以为够用了。。。
问题二：产生冷裂纹的因素有哪些
冷裂纹产生的原因是:
(1)焊缝中的氢在结晶过程中要向热影响区扩散、聚集。
(2)如果被焊材料的淬透性较大，则焊后冷却下来时，在热影响区形成马氏体组织，其性脆而硬。
(3)焊接时的残余应力。
这三个因素(氢、淬硬组织和应力)的综合作用，就会导致冷裂纹的产生。氢在金属里的扩散速度有快有慢，因此冷裂纹产生的时间也不同。有的在焊后冷却过程中产生，有的甚至放置一段时间后才产生，故又称为延迟裂纹。
防止冷裂纹的措施有:
(l)焊前预热和焊后缓冷。
(2)采用减少氢的工艺措施。
(3)合理选用焊接材料。
冷、热、再热裂纹
1.热裂纹（结晶裂纹、凝固裂纹）
（1）定义
焊接过程中在300℃以上高温（Ac3附近）下产生的裂纹为热裂纹。一般沿晶开裂，产生于焊缝、热影响区。倾向材料：杂质较多的低碳钢、奥氏体不锈钢、铝合金。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
（2）分类
结晶裂纹（凝固过程）、高温液化裂纹（奥氏体）、多边化裂纹（纯金属或单相奥氏体合金）。
（3）产生原因
热裂纹的产生原因是焊接拉应力作用到晶界上的低熔共晶体（S）所造成的。
（4）影响结晶裂纹因素
a.合金元素和杂质元素含量，尤其是S、P含量。（S、P增加结晶温度区间和产生低温共晶）
b.冷却速度大，偏析严重，结晶温度区间增大
c.结晶应力和拘束应力使部分金属受拉
（5）防止结晶裂纹措施
○1降低含碳量，减小硫、磷等杂质元素的含量；○2加入一定的合金元素，减小柱状晶的偏析，如加入钼、钒、钛、铌等细化晶粒；○3采用熔深较浅的焊缝，使低熔点物质上浮；○4合理使用焊接规范，采用预热和后热，减小冷却速度；○5采用合理的装配次序，减小焊接应力。
在压力容器焊接中，降低线能量或采用多层焊是防止热裂纹的一种有效方法。
2.冷裂纹（延迟裂纹）
（1）定义
指焊缝冷却到200～300℃以下产生的裂纹。一般穿晶开裂，产生于热影响区、焊缝。倾向材料：高碳钢、中碳钢、低合金、中合金高强钢的热影响区；合金元素含量多的超高强钢、钛合金发生在焊缝上；Rm≥450MPa材料；如耐热钢、马氏体不锈钢、焊接含Ni的低合金钢、异种钢的焊接接头、特殊结构钢和堆焊层等。16MnR、15MnVR、15MnNbR、18MnMoNbR、13MnNiMoNbR（仿制日本的BHW35，是单层厚壁用钢，焊接性能好但价格高）、07MnCrMoVR （仿CF-62）、07MnNiMoVDR和日本的CF-62系列钢。
冷裂纹试验(插销实验)概述
冷裂纹试验(插销实验)概述
1.目的和应用范围
本指南的目的是描述最常用的测试实验，用于测定在焊接过程中母材以及填充金属对氢致裂纹的敏感性。此说明将提供各种冷裂试验的概述，以便选择实验以及结果的评估。
2.不同测试实验的概述
外部加载实验: 1 Implant-Test （插销试验）
2 LTP-Test
3 TRC-Test （拉伸拘束裂纹试验）
4 Augmented-Strain-Cracking (ASC)-Test
自身拘束试验:5 Tekken-Test
6 U-Groove Weld Cracking Test （U型弯曲试验）
7 Lehigh-Test
8 CTS(Controlled Thermal Severity)-Test
9 Bead Bend Test
10 Cruciform-Test
11 WIC(Welding Institute of Canada)-Test WIC（加拿大焊接协会）测试
12 IRC(Instrumented Restraint Cracking)-Test
13 RGW-Test
14 GBOP(Gapped Bead-On-Plate)-Test
15 BUC-(Batelle Underbead Cracking) Test
16 Circular Patch-Test
17 Schnadt-Fisco-Test
18 Slot-Weld-Test
19 Butt-Weld-Cracking-(WI)-Test 对接焊缝开裂- （WI）
20 RRC-Test （刚性拘束裂纹试验)
冷处理裂纹酸洗裂纹及磨削裂纹等三
淬火裂纹和磨削裂纹形态特征区别
淬火时未发现而在磨削发现 的裂纹，要区别是淬火裂纹 还是磨削裂纹，未污染时比 较容易，此时要看裂纹形态， 特别是裂纹发展方向，磨削 裂纹垂直于磨削方向，呈平 行线形态(如图1)或呈龟甲 状裂纹(如图2)。磨削裂纹 深度浅，而淬火裂纹一般都 比较深，与磨削方向无关， 多呈直线刀割状开裂。
二、裂纹的类型
按裂纹的方向区分：有纵向裂纹、横向 裂纹、弧形裂纹和网状裂纹(又称龟裂)等；
按裂纹发生的位置区分：有表层裂纹 (或称表面裂纹)和内部裂纹； 按裂纹发生在不同的工序区分：有锻造 裂纹、焊接裂纹、淬火裂纹、回火裂纹、 冷处理裂纹、酸洗裂纹及磨削裂纹等。
三、裂纹的分辨方法
如何区分究竟是淬火裂纹、回火裂纹、
3、可以采用磁力探伤法及荧光探伤法检查零件是 否有裂纹，需要有一定检测设备。
五、淬火过热与淬火裂纹
工件一旦过热，则奥氏体晶粒和马氏体针粗大，容易 产生显微裂纹。这种显微裂纹是淬火裂纹激发源，并发 展成为淬火裂纹。因此。过热容易淬火裂纹。 生产现场中淬火过热引起的淬火裂纹在工具钢中很 常见，特别是高合金工模具钢因淬火过热造成工件裂纹 的事例最多。
工模具零件热处理开裂 分析与对策
冷处理工艺引起裂纹的原因分析
好多研究证明高速钢刀具、工模具经过超低温处理(-196℃)可显著提高寿命。有些量具、精密机械零件，为了保证高的尺寸稳定性，需尽量减少残余奥氏体，通常采用零下80℃的冷处理。
一、冷处理工艺引起裂纹的主要因素有：
1、工件淬火后，本身温度较高;或者用过高的热水清洗，工件尚未冷到室温而装入低温箱中。这时，由于冷却速度加快，部分未转变的奥氏体进一步转变成马氏体，拉应力增大，在低温下材料的脆断抗力降低，当应力超过材料脆断抗力，则导致裂纹。如果已有显微裂纹，则可能导致裂纹的长大或扩展为宏观裂纹。
2、由于工件尺寸过大，结构复杂，冷处理温度过低(如-196℃)，冷处理所用介质冷却较快等因素，或增大原来的内应力，这些都可能形成冷处理裂纹。
冷处理裂纹的特征同淬火裂纹一样，实质是淬火裂纹。
二、防止冷处理裂纹的措施：
1、淬火工件凉透后再装入低温设备中。
2、对形状复杂，薄厚相差悬殊的工件，冷处理前，宜将细薄部分用石棉包扎。
3、冷处理后，待零件温度回升至室温后，立即进行回火和时效。
4、对形状复杂的零件，淬火和冷到室温后可先进行110~130℃保温30~40min的预回火，然后再进行深冷处理。
冷裂纹试验(小铁研实验)概述
焊接冷裂纹及其测定方法(小铁研)
焊接裂纹是最危险的焊接缺陷，严重地影响着焊接结构的使用性能和安全可靠性。根据形成焊接裂纹的温度可分为热裂纹和冷裂纹；根据裂纹发生的位置可分为焊缝金属中的裂纹和热影响区中的裂纹。而其中尤以冷裂纹的危害最大。
冷裂纹与热裂纹的主要区别就是：冷裂纹在较低的温度下形成，一般在200-300℃以下形成；冷裂纹不是在焊接过程中产生的，而是在焊后延续一定的时间后才产生，如果钢的焊接接头冷却到湿温后并在一定的时间（几小时、几天、甚至十几天以后）才出现的冷裂纹称为延迟裂纹；冷裂纹多在焊接热影响区内产生，如沿应力集中的焊缝根部形成的冷裂纹称为焊根裂纹。沿应力集中的焊趾处形成的冷裂纹称为焊趾裂纹。在靠近堆焊焊道的热影响区内所形成的裂纹称为焊道下裂纹。冷裂纹有时也在焊缝金属内发生。一般焊缝金属的横向裂纹多为冷裂纹。冷裂纹与热裂纹相比，冷裂纹的断口无氧化色。
冷裂纹产生的原因：
钢材的淬火倾向，残余应力，焊缝金属和热影响区的扩散氢含量。其中氢的作用是形成冷裂纹的重要因素。当焊缝和热影响区的含量较高时，焊缝中的氢在结晶过程中向热影响区扩散，当这些氢不能逸出时，就聚集在离熔合线不远的热影响区中；如果被焊材料的淬火倾向较大，焊后冷却下来，在热影响区可能形成马氏体组织，该种组织脆而硬；在加上焊后的焊接残余应力，在上述几种因素的作用下，导致了冷裂纹的产生。
防止冷裂纹的具体措施如下：
（1）焊前预热和焊后缓冷，不仅能改善焊接接头的组织，降低热影响区的硬性和脆性，还能加速焊缝中的氢向外扩散，并起到减少焊接应力的作用。
碳钢焊接裂纹产生的原因及预防措施
碳钢焊接裂纹产生的原因及预防措施
碳钢焊接常出现裂纹，其产生的原因有很多，主要包括：冷裂纹、热裂纹、固化裂纹和应力裂纹等。本文主要介绍这些裂纹产生的原因以及预防措施。
1. 冷裂纹
碳钢焊接后如果在冷却过程中产生裂纹，这种情况就称为冷裂纹。冷裂纹主要产生于低温条件下，通常发生在焊接过程中或者焊后的冷却过程中。
产生冷裂纹的原因主要有以下两方面：
（1）组织条件。低温下，钢材的组织会发生相变，易形成脆性组织。
（2）应力状态。在焊接过程中，产生的内应力、残余应力和变形应力等可能导致焊缝区出现应力集中，从而引发裂纹。
为了预防冷裂纹的产生，需要注意以下几点：
（1）焊接前需要对钢材进行预热处理，提高焊接温度。
（2）控制焊接过程中的加热速度和冷却速度，使之均匀。
（3）选择对于在低温环境中具有较好韧性的钢材进行焊接。
热裂纹是指在焊接加热过程中或者焊接结束后，钢材表面或焊缝处产生的裂纹。热裂纹通常发生在焊接开始或者结束的瞬间，并具有一定的热时间。
（1）固溶体凝固温度范围内的液体区域中积累了高应力。
（2）合金成分使得焊缝区域易于析出特定化合物，从而引发热裂纹。
（2）选择焊接材料的化学成分符合所需的要求。
（1）焊接材料中含有的一些元素，如磷、硫和锰等等，会导致产生固化裂纹。
（2）焊接区域的硬度或脆性较高，若后续应力应变变化较大就容易出现固化裂纹。
（3）进行足够的热处理，同时注意减少后续的应力应变变化。
应力裂纹是指在加工过程中或者使用过程中产生的裂纹。应力裂纹通常发生在焊接后或者机械加工、冷加工或者零部件在使用过程中受到过大的载荷和应力时。
冷裂纹的概念
冷裂纹的概念
冷裂纹是金属疲劳倒向裂纹的一种形式，它通常在金属构件的低温条件下发生，特别是在低温运行和使用应力下，如飞机机翼、桥梁钢梁等。冷裂纹广泛存在于航空、航天、能源、交通和重型机械等行业中，对构件的工作性能和安全性产生重要影响。
冷裂纹的产生是由于金属在低温下受到持续应力的作用下，经历了裂纹的自发源发展和传播过程。当材料的疲劳寿命达到一定程度时，裂纹的自发源往往在表面形成，然后通过疲劳裂纹扩展到内部。这主要是由于金属在低温下的塑性变形性能降低，容易引起裂纹，而且金属在低温下的强度也会下降，导致裂纹更容易扩展。
冷裂纹的发生机制包括应力腐蚀开裂、氢致开裂和氢脆开裂等。应力腐蚀开裂是由于材料在一定应力和特定腐蚀介质中发生的化学反应，导致了裂纹的形成和扩展。氢致开裂是由于氢元素在金属中的吸收和扩散，导致金属内部产生裂纹，其主要原因是氢使材料的延展性降低，易于形成和扩展裂纹。氢脆开裂是由于金属中吸收了大量的氢元素，在外界作用下发生迅速的内应力变化导致的裂纹形成和扩展。
冷裂纹的形成和扩展对于构件的工作性能和安全性具有重要影响。首先，冷裂纹的存在会导致设计寿命的降低。当裂纹扩展到一定长度时，会导致材料失效，从而造成构件的破裂和损坏。其次，冷裂纹的存在会导致构件的强度和刚度降低，
从而影响其承载能力和稳定性。此外，冷裂纹还可能引起构件的变形和变形，对机械装置和结构的运行和使用造成不利影响。
为了预防和控制冷裂纹的产生，目前有很多方法和技术可供选择。首先，通过优化设计和合理选择材料，可以降低金属在低温下的塑性变形和延展性降低的风险，从而减少冷裂纹的产生。其次，通过表面处理和涂层技术，可以提高金属在低温下的抗腐蚀性能和应力腐蚀开裂的抵抗能力，减少裂纹的形成和扩展。此外，在制造和安装过程中，严格控制应力和温度的变化，可以减少冷裂纹的产生。
焊接冷裂纹
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• （一）焊趾裂纹（焊趾：焊缝表面与母材交 界处） • 如图5-40中A所示，这种裂纹起源于母 材与焊缝交界处，并有明显应力集中部 位(如咬肉：母材部分未焊满)。裂纹的 走向经常与焊道平行，一般由焊趾表面 开始向母材的深处扩展。 • （二）焊道下裂纹 • 这种裂纹经常发生在淬硬倾向较大、 含氢量较高的焊接热影响区。一般情况 下裂纹走向与熔合线平行，但也有垂直 熔合线的，如图5-40中B和图5-41所示。
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• (二)氢的作用 • 氢是引起高强钢焊接冷裂纹重要因素之一，并 且有延迟的特征，因此，在许多文献上把氢引起 的延迟裂纹称为“氢致裂纹”或称“氢助裂纹”。 • 试验研究证明，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。此值称为产生 裂纹的临界含氢量[H]cr。 • 各种钢产生冷裂的[H]cr值是不同的，它与钢 的化学成分、刚度、预热温度，以及冷却条件等 有关。图5-43是钢种碳当量Pcm和CE与临界含氢 量[H]cr的关系。
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二、冷裂纹的种类
• 在焊接生产中由于采用的钢种、焊接材料不 同，结构的类型、刚度，以及施工的具体条件 不同，可能出现各种形态的冷裂纹，如延迟裂 纹、淬硬脆化裂纹和低塑性脆化裂纹。然而， 在生产上经常遇到的主要是延迟裂纹，因此本 节重点讨论低合金高强钢的延迟裂纹问题。 • 延迟裂纹还可以进一步分类，常见的有以下 三种：
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第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施
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CF62钢球罐使用过程中在焊缝附近发现的裂纹
60×
第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施
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不同焊接工艺条件下熔覆金属中的扩散氢含量 钛型焊条 : 纤维素型焊条 : 低氢型焊条 : 超低氢型焊条 : 熔化极（或钨极）氩弧焊 : 药芯焊丝气体保护焊 : 埋弧焊 : 30ml / 100g 60ml / 100g 5 - 7ml /100g 2 - 5ml /100g 2ml/100g
其淬硬倾向和冷裂倾向越大。
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（三）接头中的拘束应力状态
由公式可见：刚性大（弹性模量 E 大或板厚
δ 大）或拘束距离 L 小的焊接结构，拘束
引起冷裂纹的直接原因，并且还会加剧氢的有害作用。 如前所述，焊接接头存在拘束应力。拉伸拘束应力是
度与拘束应力高，裂纹倾向大。
计算，如平板对接接头：
接头的拘束度与拘束应力大小，可近似地用经验公式
E R L
m R
l δ F F
m 是转换系数，与钢的线胀系
数、比热容、接头坡口形式和焊
接方法等因素有关。
L
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第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施
应力诱导扩散理论： 三、延迟裂纹的形成机理
裂纹尖端形成新 缺陷前沿应力增 热应力在缺陷 的三向应力区。 氢继续向新的三 大，材料脆性增 （裂纹源）前沿 向应力区扩散、 加。 形成三向应力区， 氢浓度达 聚集… 这一过程周 到临界值时，缺 诱使氢向其内扩 而复始持续进行， 陷前沿开裂、微 散、聚集使内压 直至形成宏观裂 纹。 裂纹扩展。 力增大。
[H] R PW Pcm 60 400000
PC Pcm
[H] 60 600
式中，Pw、Pc是冷裂纹敏感指数；[H]是熔敷金属扩散氢含 量（mL/100g）；R是拘束度（N.mm-2)；δ是工件厚度 （mm）；Pcm是钢材合金元素的碳当量。
第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施 9
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起裂部位特点： 焊接生产中经常遇到的低合金钢接头中的延迟裂纹： 是应力集中部位；存在粗大的马氏体组织；氢含量高。
3 1
3
2
2
3
图11-60 焊接冷裂纹分布形态 1－焊道下裂纹 2－焊根裂纹 3－焊趾裂纹
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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：
（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 氢来不及逸出，以过饱和状态保留在已凝固的焊缝 中。由于 H 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 为残留扩散氢 [ H ]R 。焊后 [ H ]R 在浓度差的作用 下将自发地向焊缝周围的焊接热影响区扩散。
相变诱导扩散
氢在奥氏体（γ-Fe）中的溶解度较
大，扩散系数较小；而在铁素体（α-Fe）中的溶解度较小， 熔敷金属因含碳量低于母材而先发生（A→ F+P）转变，使焊缝 扩散系数较大。因此，当金属自高温冷却发生 A→F相变 中的[ H ]R向焊接热影响区扩散。继续冷却该区金属由奥氏体向马 时，氢就会由转变后的铁素体向尚未转变的奥氏体中扩散， 氏体转变，氢便以过饱和状态残留在马氏体中。 导致氢在某些部位产生聚集。
强烈淬硬倾向的高（中）碳钢、高强度合金钢、
工具钢的焊件中。
第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施 4
低塑性脆化裂纹
它是某些低塑性材料冷却到较低温度时， 由于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。这种裂纹 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400℃以下 基本无塑性，焊接裂纹倾向很大。
第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施 11
[ H ]R 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：
“浓度扩散”
焊接热影响区
“相变诱导扩散” 焊道下过热粗晶区 “应力诱导扩散”
多发部位。
第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施 12
焊趾与焊根部位
可见接头中的 [ H ]R 聚集部位正是延迟裂纹的
一、冷裂纹的分类及特征 二、冷裂纹的影响因素 三、延迟裂纹的形成机理 四、冷裂纹的控制
第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施 1
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：
延迟裂纹
淬硬脆化裂纹
低塑性脆化裂纹
按加工方法分类 ，可分为：
铸造冷裂纹
焊接冷裂纹
第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施 2
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
大的钢材，易形成硬脆的马氏体组织和高密度的晶格缺 陷（如空位和位错等），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
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 此可以判断钢材的冷裂倾向大小。钢材的碳当量越大，
第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施
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防止冷裂纹的措施
选用低氢型焊材或百度文库接方法
冷裂纹的影响因素
减少[ H ]R含量
焊前严格清理焊件表面油污 焊前预热 T0 =1440Pw - 392 ℃ 紧急后热 约300℃ 并保温 降低拘束应力
合理的焊接线能量及焊接顺序
第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施 20
（一） 接头中扩散氢的含量与分布 （二） 钢材的淬硬倾向 （三） 接头中的拘束应力状态
第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施
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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 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 感性。其中最常用的关系式为：
第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施
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铸造冷裂纹是铸件凝固后 冷却到弹性状态时，因局部
铸造应力大于材料强度极限
而引起的开裂。这类裂纹总 是发生在冷却过程中承受较 高拉应力的部位，特别是应 力集中部位。壁厚不均匀、 形状复杂的大型铸件容易产 生冷裂纹。 铸件尖角部位的裂纹 齿轮毛坯中的铸造冷裂纹
第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施
第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施
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焊接冷却过程中，当温度足够高时，[ H ]R 能很
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。 只有在一定温度范围（－100～100℃）时， [ H ]R 才会起致裂作用，这一温度范围称为延迟裂 纹的敏感温度区间。 [ H ]R在接头中的含量与焊接工艺过程有关。
6 - 10ml/100g 2 - 7 ml/100g
第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施
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本章结束
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由于微裂纹的形成与
裂纹的扩展与 [ H ]R的
扩散、聚集速度有关， 所以有延迟断裂特征。 产生裂纹之前的潜伏期 的长短与裂纹区的应力 大小有关。拉应力越小， 启裂所需临界氢的浓度
应 力
σuc
潜伏期
σ/MPa
断裂曲线 裂纹扩展
裂纹发生曲线
σLC
时间 t/h
图11-65 延迟断裂时间与应力的关系
延迟裂纹（氢致裂纹）
在氢、钢材淬硬组织 和 拘束应力 共同作用下产生。
形成温度在 Ms 以下 200℃ 至 室温范围。
具有明显的延迟特征（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 扩展期和突然开裂三个连续过程。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）。
越高，潜伏期（延迟时
间）就越长。
σUC－上临界应力 σLC－下临界应力
第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施 18
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 制冷裂纹形成的三大要素，即 降低扩散氢的含
量、改善接头组织和减小拘束应力。焊接中
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。
常发生在刚性较大的低碳钢、低合金钢的焊接结构中。
第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施 3
淬硬脆化裂纹
某些淬硬倾向大的钢种，热加工后冷却到Ms 至室温时，因发生马氏体相变而脆化，在拘束应 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，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
减少淬硬组织
这张照片是在哥伦比亚号返回地球的11天前拍摄（2003年2月3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， 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 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16分钟出现 技术问题，并且最终爆炸解体的主要原因。
第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施
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“应力诱导扩散”
氢在金属中有向三
向拉伸应力区扩散的趋势。在应力集中或缺口部
位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 大，亦即应力对氢的诱导扩散作用越大。
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（二）钢材的淬硬倾向