第9章 成型缺陷的产生机理和防止措施
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其它FCC金属材料如Al、Ni、Cu、奥氏体钢一般没有。 2）产生部位：多数在HAZ粗晶区；也有少量在多层焊焊缝的中上部；易在焊
趾（toe ~）和焊根(root ~)；焊道下（under-bead ~） 3）发生时间：具有延迟特性，焊后数分钟至数日后出现（危险性大！！！）； 4）发生温度： T<Ms； 5）裂纹形貌：端部尖锐，断口无氧化、液膜特征；裂纹呈沿晶
第九章 成型缺陷的产生机理和防止措施
2020/8/6
1
形成
材料成形(铸造、焊接时)的温度改变，导致“热胀 冷缩”，而且非均匀的温度变化（如局部的加热、 冷却）导致金属内部不均匀的“热胀冷缩”从而产 生应力。称为内应力（internal stress)。
工件冷却后仍保留在工件内部的应力称为残余应力 （residual stress）。 加热冷却或受力过程中存在的应力称为瞬时应力 （instantaneous stress)。亦即动态应力。
2020/8/6
加热时
3
焊件内应力
在不均匀温度场的作用下，被加热到较高温度的区域的 金属受到压缩应力，当此应力达到材料在该温度下的屈服限 时，局部区域内受到压缩塑性变形，由于塑性变形不可逆， 此区域的材料在冷却之后即产生收缩，而周围未受热的金属 会限制它的收缩，于是在压缩塑性变形的区域内产生拉应力， 而周围区域产生压应力。这种内部应力在温度均匀后残存在 物体内部，固称为残余应力。
a. M淬硬组织的脆性，尤其是其对氢脆的敏感 性。
b. M组织高内应力条件：M硬度高，相变温度 低，组织应力高
c. M淬硬组织缺陷多：晶格缺陷、位错……
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28
2）氢的作用
材料焊接冷却到室温附近产生的一种裂纹，它 是焊接缺陷中最普遍而又极危险的一种。
主要讨论其中主要的一种：延迟裂纹 （delayed cracking）或称之为氢致裂纹 （hydrogen-induced cracking, HIC）
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（1）冷裂纹的基本特征
1）产生冷裂纹的材料：中、高碳钢及合金钢、钛及钛合金，BCC材料有 淬硬M相变材料。
残余应力是在没有外力的条件下，平衡于内部的应力。 由焊接引起的残余应力称为焊接残余应力。
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4
板
中
心
堆
焊
焊
接
残
余
应
力
形
成
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5
铸件的内应力
冷却过程中各部分冷却速度不一致 造成的.
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6
相变应力（transformation stress）
固态相变金属因各区域发生相变的类 型不同、时间不同或程度不同，由于不同 相组织的比容不同而导致的内应力。
防止方法： 结构设计； 工艺：反变形、刚性固定、预留收缩量、等
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17
焊接变形的矫正（straightening）
机械矫正 火焰矫正
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18
3-3 裂纹
裂纹是一种可能造成制造产品或结构失效的 突发性破坏的材料缺陷，往往是一种最危险 而又常见的缺陷。
种类：按形成机理分。主要有热、冷、再热 （reheat）、应力腐蚀（stress-corrosion） 裂纹和层状撕裂（lamellar tearing）
焊缝在凝固过程中所出现的晶间塑性应变能力 的应变区间叫做脆性温度区，不同材料有不同的脆性 温度区，温度区越大，产生热裂纹的危险性越大。
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（1）特征
1）仅发生于WM或铸件中
2）一次结晶（原奥氏体）晶界分布的晶间裂 纹
3）断口形貌（fracture appearance）
a. 高温特征：液膜（liquid film）表面，液态 分离时自由凝固表面特征，有时有氧化
b. 偏析特征 微区元素分析表明有S、P等富
集
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21
(2)形成机理
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22
(3) 焊接热裂纹的影响因素 a.硫的偏析 b.焊缝的组织 c.焊缝冷却的速度 （层间温度、热输
入量）
d.焊缝的形状 （成形系数） e.拘束度
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3.3.2 焊接冷裂纹 cold cracking
另外，固态相变也有膨胀或收缩现象，局部的相变 因此也能造成内应力。
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2
3-1 内应力
1、内应力的形成
（1）热应力（thermal stress） 不均匀加热冷却过程产生的应力称为热 应力。 （因材料的弹-塑性）
杆中心加热，产生内应力（瞬时应力） 当加热变形在弹性范围内，冷却后，残 余应力=0 当加热变形超过弹性范围外（塑性）， 冷却后，残余应变，残余应力
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3.3.1 焊接热裂纹（hot cracking）
主要指凝固裂纹(solidification cracking)
焊接热裂纹的形成原因：
焊接热裂纹是一种高温沿晶断裂而形成的裂纹。 焊缝凝固过程中，在枝晶间存在低熔共晶的薄层，此 时材料的塑性变形能力很低，在冷却过程中不可避免 的产生收缩应变，当收缩应变大于材料此时的塑性应 变的能力时，即产生焊接热裂纹。
（intergranular）和穿晶(transgranular)混合扩展；
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（2）形成机理
冷裂纹形成的三大因素：淬硬（M）组织 氢 拘束应力
Fra Baidu bibliotek
前两项是冶金条件（内因），后一项是力学条件（外 因）。
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1）马氏体淬硬组织：
焊后冷却形成的M越多，M中含碳量越高，淬 硬倾向越大，冷裂倾向越强。
残余应力的存在必然导致原工件形状的少 量改变，也称为残余变形（工件冷却下来后遗 留一下来的变形）。
整体变形
局部变形
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12
纵向横向收缩变形
2020/8/6
13
挠 曲 变 形
2020/8/6
14
角变形
2020/8/6
15
波浪变形（失稳变形）
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16
影响因素及防止措施
影响因素： 材料热物理性能：膨胀系数、导热性 工艺因素：焊接热输入、焊接顺序
低碳钢
合金钢
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7
2.焊接残余应力的分布
纵向残余应力分布
2020/8/6
8
板边堆焊焊接残余应力形成
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9
3.减少焊接残余应力的措施 工艺措施、 结构设计
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3.2残余应力的消除 热处理、机械振动法、机械加载
机械拉伸法
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3-2.焊接变形
趾（toe ~）和焊根(root ~)；焊道下（under-bead ~） 3）发生时间：具有延迟特性，焊后数分钟至数日后出现（危险性大！！！）； 4）发生温度： T<Ms； 5）裂纹形貌：端部尖锐，断口无氧化、液膜特征；裂纹呈沿晶
第九章 成型缺陷的产生机理和防止措施
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形成
材料成形(铸造、焊接时)的温度改变，导致“热胀 冷缩”，而且非均匀的温度变化（如局部的加热、 冷却）导致金属内部不均匀的“热胀冷缩”从而产 生应力。称为内应力（internal stress)。
工件冷却后仍保留在工件内部的应力称为残余应力 （residual stress）。 加热冷却或受力过程中存在的应力称为瞬时应力 （instantaneous stress)。亦即动态应力。
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加热时
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焊件内应力
在不均匀温度场的作用下，被加热到较高温度的区域的 金属受到压缩应力，当此应力达到材料在该温度下的屈服限 时，局部区域内受到压缩塑性变形，由于塑性变形不可逆， 此区域的材料在冷却之后即产生收缩，而周围未受热的金属 会限制它的收缩，于是在压缩塑性变形的区域内产生拉应力， 而周围区域产生压应力。这种内部应力在温度均匀后残存在 物体内部，固称为残余应力。
a. M淬硬组织的脆性，尤其是其对氢脆的敏感 性。
b. M组织高内应力条件：M硬度高，相变温度 低，组织应力高
c. M淬硬组织缺陷多：晶格缺陷、位错……
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2）氢的作用
材料焊接冷却到室温附近产生的一种裂纹，它 是焊接缺陷中最普遍而又极危险的一种。
主要讨论其中主要的一种：延迟裂纹 （delayed cracking）或称之为氢致裂纹 （hydrogen-induced cracking, HIC）
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（1）冷裂纹的基本特征
1）产生冷裂纹的材料：中、高碳钢及合金钢、钛及钛合金，BCC材料有 淬硬M相变材料。
残余应力是在没有外力的条件下，平衡于内部的应力。 由焊接引起的残余应力称为焊接残余应力。
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板
中
心
堆
焊
焊
接
残
余
应
力
形
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铸件的内应力
冷却过程中各部分冷却速度不一致 造成的.
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6
相变应力（transformation stress）
固态相变金属因各区域发生相变的类 型不同、时间不同或程度不同，由于不同 相组织的比容不同而导致的内应力。
防止方法： 结构设计； 工艺：反变形、刚性固定、预留收缩量、等
2020/8/6
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焊接变形的矫正（straightening）
机械矫正 火焰矫正
2020/8/6
18
3-3 裂纹
裂纹是一种可能造成制造产品或结构失效的 突发性破坏的材料缺陷，往往是一种最危险 而又常见的缺陷。
种类：按形成机理分。主要有热、冷、再热 （reheat）、应力腐蚀（stress-corrosion） 裂纹和层状撕裂（lamellar tearing）
焊缝在凝固过程中所出现的晶间塑性应变能力 的应变区间叫做脆性温度区，不同材料有不同的脆性 温度区，温度区越大，产生热裂纹的危险性越大。
2020/8/6
20
（1）特征
1）仅发生于WM或铸件中
2）一次结晶（原奥氏体）晶界分布的晶间裂 纹
3）断口形貌（fracture appearance）
a. 高温特征：液膜（liquid film）表面，液态 分离时自由凝固表面特征，有时有氧化
b. 偏析特征 微区元素分析表明有S、P等富
集
2020/8/6
21
(2)形成机理
2020/8/6
22
(3) 焊接热裂纹的影响因素 a.硫的偏析 b.焊缝的组织 c.焊缝冷却的速度 （层间温度、热输
入量）
d.焊缝的形状 （成形系数） e.拘束度
2020/8/6
23
3.3.2 焊接冷裂纹 cold cracking
另外，固态相变也有膨胀或收缩现象，局部的相变 因此也能造成内应力。
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3-1 内应力
1、内应力的形成
（1）热应力（thermal stress） 不均匀加热冷却过程产生的应力称为热 应力。 （因材料的弹-塑性）
杆中心加热，产生内应力（瞬时应力） 当加热变形在弹性范围内，冷却后，残 余应力=0 当加热变形超过弹性范围外（塑性）， 冷却后，残余应变，残余应力
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3.3.1 焊接热裂纹（hot cracking）
主要指凝固裂纹(solidification cracking)
焊接热裂纹的形成原因：
焊接热裂纹是一种高温沿晶断裂而形成的裂纹。 焊缝凝固过程中，在枝晶间存在低熔共晶的薄层，此 时材料的塑性变形能力很低，在冷却过程中不可避免 的产生收缩应变，当收缩应变大于材料此时的塑性应 变的能力时，即产生焊接热裂纹。
（intergranular）和穿晶(transgranular)混合扩展；
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（2）形成机理
冷裂纹形成的三大因素：淬硬（M）组织 氢 拘束应力
Fra Baidu bibliotek
前两项是冶金条件（内因），后一项是力学条件（外 因）。
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1）马氏体淬硬组织：
焊后冷却形成的M越多，M中含碳量越高，淬 硬倾向越大，冷裂倾向越强。
残余应力的存在必然导致原工件形状的少 量改变，也称为残余变形（工件冷却下来后遗 留一下来的变形）。
整体变形
局部变形
2020/8/6
12
纵向横向收缩变形
2020/8/6
13
挠 曲 变 形
2020/8/6
14
角变形
2020/8/6
15
波浪变形（失稳变形）
2020/8/6
16
影响因素及防止措施
影响因素： 材料热物理性能：膨胀系数、导热性 工艺因素：焊接热输入、焊接顺序
低碳钢
合金钢
2020/8/6
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2.焊接残余应力的分布
纵向残余应力分布
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板边堆焊焊接残余应力形成
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9
3.减少焊接残余应力的措施 工艺措施、 结构设计
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3.2残余应力的消除 热处理、机械振动法、机械加载
机械拉伸法
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3-2.焊接变形