第六节 冷裂纹
焊接裂纹
第五章 焊接裂纹
44
T↑ ↓1 0 ↓ T→ T0 1 = 0
T0—称金属的等强温度
T>T0 时， 1 > 0 发生断裂晶间断裂
若焊缝所受拉伸应力为 2 随温度变化始终 不超过 0 ，则不会产生结晶裂纹 2 < 0
若焊缝的拉伸应力为 1， 1> 0产生结晶裂纹
断裂，也有晶间和穿晶
混合断裂
第五章 焊接裂纹
本节结束19
§5-2 焊接热裂纹
一、结晶裂纹
1、 产生机理
1）产生部位：结晶裂纹大部分都沿焊缝树 枝状结晶的交界处发生和发展的，常见沿焊 缝中心长度方向开裂即纵向裂纹，有时焊缝 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 焊缝上某些高强钢，含杂质较多的钢种，除 发生在焊缝之处，还出现在近缝区上。
第五章 焊接裂纹
18
三、热裂纹与冷裂纹的基本特点
裂纹 产生温度 产生部位
热裂纹 高温下产生 焊缝、热影响区
冷裂纹 低温下产生 热影响区、焊缝
宏观特征
沿焊缝的轴向成纵向 分布,也有横向分布， 断口具有发亮的金属光 裂口均有氧化色彩表 泽 面无光泽
微观特征
沿晶粒边界分布，属 晶间断裂，也有穿晶内
于沿晶断裂性质
SL—固体晶粒与残液之间的表面张力
SS—固体晶粒之间的表面张力
—固相与液相的接触角
当 SL 越小 越小
/ SL SS=0.5
=0 残液在固体晶粒以薄膜存在裂↑
=180°残液以球状形态分布裂↓
第五章 焊接裂纹
42
④一次结晶组织形态及组织对结晶裂 纹的影响
晶粒大小：晶粒粗大裂纹的倾向↑
焊接裂纹分析
Creq Cr Mo 1.5Si 0.5Nb%
（A＋δ）双相不锈钢焊缝（4） 以Nieq做纵坐标，Creq做横坐标，绘出舍夫勒图 （Saeffler）。从图上可得知δ相大致的含量。
2 力学因素对产生结晶裂纹的影响（1）
力是产生裂纹的必要条件之一。焊 接时脆性温度区内金属的塑性ε只要大于 脆性温度区内金属所承受的拉伸应变 pmin即可产生裂纹。
1） 硫、磷：S、P可扩大Fe的结晶区间（图5－21），并能与 Fe形成多种低熔点共晶。
合金因素对产生结晶裂纹的影响（3）
某种元素在钢中的偏析度K
K [x]界 [x]轴 * 或用K′表示
[ x ]0
K和K′值越大偏析越严重。
K' [x]界 [ x]轴
S和P是钢中极易偏析的元素（表5－3），即使存在微量也 会产生热裂纹，对产生裂纹倾向很大。
δ相一般控制在5％为佳。δ相多少可用金相法和磁性法测 定，过多的δ相降低焊缝的耐蚀性。
（A＋δ）双相不锈钢焊缝（3）
Cr是铁素体形成元素，Ni是扩大A体元素，控制A体不锈 钢中Cr、Ni含量可调整焊缝中δ相比例。考虑到其它元素的影 响，引入“镍当量Nieq”
Nieq Ni 30C 0.5Mn%
热裂纹（2） 热裂纹一般沿晶界开裂，裂纹周围有氧化色。
热裂纹（3） 热裂纹有与液膜有关的裂纹和与液膜无关的裂纹两大类。
热裂纹（4）
根据开裂时的温度区间和开裂原因，热裂纹又可分为： （1）结晶裂纹（凝固裂纹）
在固相线附近，已凝固的金属收 缩，残余液态金属不足以填充这个空 间，在应力作用下发生沿晶开裂（图5 －5）。裂纹的横断面上有氧化色。
*抗裂性
在整个结晶过程中，从液到固可分 为三个阶段：
焊接中冷裂纹的形成原理及防止措施共27页文档
51、山气日夕佳，飞鸟相与还。 52、木欣欣以向荣，泉涓涓而始流。
53、富贵非吾愿，帝乡不可期。 54、雄发指危冠，猛气冲长缨。 55、土地平旷，屋舍俨然，有良田美 池桑竹 之属， 阡陌交 通，鸡 犬相闻 。
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
27
焊接裂纹_精品文档
3、防止结晶裂纹的措施
1）、冶金方面
①控制焊缝中有害杂质的含量， 限制S、P、C含量S、P<0.03-0.04 焊丝C<0.12% (低碳钢) 焊接高合金钢，焊丝超低碳焊丝 ②改善焊缝的一次结晶 细化晶粒，加入Mo、V、Ti、Nb、Zr、
Al
2)、工艺方面（减少拉应力）
应变率 , E ↑、
↑应变率 ↓
例如：强度为600MPa焊条研究
焊缝成分分析
焊缝 C
S
Ｐ Ｍn Si Cr Ni
成分
Ao 0.10 0.037 0.017 0.94 0.54 0.20 0.87
A１ 0.09 0.015 0.014 1.25 0.44 0.19 0.83
注：A１ 焊缝中加入轻稀土１％
图2 焊缝冲击断口扫描形貌
b)、C
i)、C<0.1% C↑结晶温度区间↑,裂纹↑
ii)、C>0.16% Mn/S↑无效,加剧P有害作
用 裂↑
iii)、C>0.51% 初生相
初生相
S、P在小相中溶解度低，析
出S、P集富在晶界上，裂纹↑
c)、Mn
Mn具有脱S作用
其中Mn熔
点高，早期结晶星球状分布，抗裂↑
含碳量C<0.016% S↑裂↑但加入Mn↑裂↓
结 晶 裂 纹
2）、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 被排挤在晶界，形成一种所谓的“液态薄膜” ，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。
产生结晶裂纹原因：①液态薄膜
②拉伸应力
液态薄膜—根本原因
拉伸应力—必要条件
以低碳钢焊接为例可把熔池的结晶分 为以下三个阶段
冷裂纹的特征
冷裂纹的特征
冷裂纹是一种常见的金属材料缺陷，其特征主要表现在以下几个方面：
1. 外观特征：冷裂纹通常呈现为细小的裂纹，呈线性或弧形分布。
其形态和尺寸取决于裂纹的形成方式和材料的特性。
2. 分布位置：冷裂纹一般分布在材料表面或近表面区域，很少出现在材料的深层位置。
这是因为材料表面和近表面区域存在较大的应力集中，容易引起裂纹形成。
3. 形成原因：冷裂纹的形成原因主要有材料的疲劳、腐蚀、焊接和加工等因素。
其中，疲劳和腐蚀是常见的冷裂纹形成机制，焊接和加工也容易引起裂纹形成。
4. 影响因素：影响冷裂纹形成的因素很多，其中包括材料的力学性能、化学成分、热处理状态等因素。
此外，使用环境和工艺条件等也会对冷裂纹的形成和扩展产生影响。
总之，冷裂纹是一种常见的金属材料缺陷，其特征主要表现在外观、分布位置、形成原因和影响因素等方面。
了解冷裂纹的特征对于保证材料的质量和安全具有重要意义。
- 1 -。
焊接中冷裂纹的成因及防止措施
焊接中冷裂纹的成因及防止措施焊接中冷裂纹的成因及防止措施近来，内业平曲中心在做角焊缝气密试验时，发现焊缝有裂纹。
为此焊接试验室对此问题进行了跟踪，分析裂纹产生原因，并提出以下解决方案。
一、现场问题角焊缝在做气密试验时，发现焊缝有漏气，经仔细检查（可用渗透探伤），发现焊缝上有微裂纹，有横向和纵向；有的地方第一次没有裂纹，过了一夜再做，又有了裂纹。
二、裂纹产生的机理1、角焊缝xx裂纹的特征焊接接头冷却到较低温度下产生的焊接裂纹统称为冷裂纹。
角焊缝上的冷裂纹一般为垂直于焊缝方向上的横向裂纹，大多具有2-3天的潜伏期，在板厚大于10mm的高强钢板角焊缝上较为多见。
2、冷裂纹的影响因素生产实践与理论研究证明：钢材的淬硬倾向、焊接接头中的氢含量及其分布、焊接接头的拘束应力状态是角焊缝出现冷裂纹的三大影响因素。
●焊缝金属的淬硬倾向焊缝金属的淬硬倾向主要取决于化学成分、焊接工艺和冷却条件等。
金属中的C、Mn元素含量高低与材料的淬硬倾向相关；在同一成分母材条件下，角接头焊缝成分受母材成分影响明显高于对接接头，角接头冷却速度相对较大也是具有较明显冷裂倾向原因。
2、焊缝金属中扩散氢含量焊缝中的扩散氢含量越高，冷裂倾向越大。
影响药芯焊丝焊缝扩散氢含量的因素主要有：焊丝种类、焊接电流、干伸长度、保护气体纯度、表面状态等加大焊接电流或减小干伸长度，都能使材料中的扩散氢含量增加；而保护气体中水分含量也会影响焊缝中扩散氢的含量；除此之外，试样的表面状态也能对氢元素的含量造成影响，如带底漆板所测得的氢值明显高出不带底漆板。
三、现场操作1、电流有的达300以上，电流太大。
2、9mm焊缝现场一般焊两道，且焊接情况如图1、图2。
3、焊前清理工作不好：●焊缝有水，现场说是用空压气吹，而不是用火烘；●焊缝氧化渣清理不好4、焊缝边缘熔合不好。
根据以上裂纹产生的机理，以上操作存在问题。
四、角焊缝冷裂纹防止措施采用药芯焊丝焊接碳当量较高的高强船板时，角焊缝具有明显的冷裂纹倾向，冬季施工时应采取严格的工艺措施，防止焊缝冷裂纹。
冷裂纹
第九章 成形缺陷的产生机理及防止措施
10
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。
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，
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）。
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） 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
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、低碳合金钢片状马氏体：含碳量高时，形成片状马氏体，片内存着平行状的孪晶，亦称孪晶马氏体，硬度高，组织脆对裂纹敏感ii)、组织对冷裂纹的敏感倾向F 、P →→F B 条状M 上贝氏体→粒状B →M+A →孪晶马氏体，可知孪晶马氏体对裂纹最敏感iii)、利用SH —CCT 图评定钢种对冷裂纹的敏感性，有试验结果看出，如果熔合区焊后800～500℃冷却时小于'f C 就会出现裂纹，也就是说可以利用出现铁素体的临界冷却时间'f C 来作为焊接接头裂纹倾向的判据 t 800～500℃<'f C 开裂 t 800～500℃>'f C 不裂 2)、淬硬产生晶格的缺陷材料在淬硬后，会产生较多的晶格缺陷，淬火后出现的晶格缺陷主要是空位位错，相变应力的作用下产生较多的位错，在焊接应力作用下，空位与位错发生移动聚集，当达到一定浓度时，产生裂纹源，硬度扩展成为裂纹。
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。
(4)采用适当的工艺参数。
(5)选用合理的装焊顺序。
(6)进行焊后热处理。
问题三：冷裂纹产生的原因是什么产生原因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）③ 存在较大的焊接拉应力问题四：简述焊接热裂纹和焊接冷裂纹的形成机理并比较它们各自的特点。
5.3_焊接裂纹-冷裂纹
（三）氢的有害影响 焊接完了的瞬间，在冷却过程中，氢除向表面逸 出氢之处，还向母材热影响区扩散。然而，这种 扩散是不均匀的，常在有塑性应变和微观缺陷的 部位发生氢的聚集，使这个部位很快达到临界氢 浓度 在熔合线和焊根部位使氢发生聚集，特别是采用 硬质焊缝（高匹配）时，焊根处氢浓度聚集严重。 此外，改变坡口形式（改善应力集中程度）和采 用预热、后热等，均可不同程度地降低氢的聚集。 氢在扩散过程中，由于金属组织和微观结构的变 化，常在熔合区附近发生氢的聚集。
2．预热的影响 预热可以在效地防止冷裂纹，但合理地选择预热 温度是十分重要的。预热温度过高，一方面恶化 了劳动条件，另一方面在局部预热的条件下，由 于产生附加应力，反而会促使产生冷裂。 3．焊后后热的影响 焊后进行紧急后热，可使扩散氢充分逸出，在一 一程度上有降低残余应力的作用，也可适当改善 组织，降低淬硬性。
当焊缝由奥氏体转变为铁素体、珠光体等组织时， 氢的溶解度突然下降，而氢在铁素体、珠光体中 的扩散速度பைடு நூலகம்快，因此氢就很快的从焊缝越过熔 和线向尚未发生分解的奥氏体影响区扩散。 由于氢在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。 当滞后相变的热影响区由奥氏体向马氏体转变时， 氢便以过饱和状态残留在马氏体中，促使这一地 区进一步脆化。如果这个部位有缺口效应，并且 氢的浓度足够高时，就可能产生根部裂纹或焊趾 裂纹。若氢的浓度更高，可是马氏体更加脆化， 也可能产生焊道下裂纹。
一冷裂纹的危害性及其一般特征一冷裂纹的危害性及其一般特征一冷裂纹的危害性一冷裂纹的危害性建造结构由于焊接冷裂纹而带来的危害性十分严重建造结构由于焊接冷裂纹而带来的危害性十分严重二冷裂纹的一般特征二冷裂纹的一般特征高强钢焊接冷裂纹一般是在焊后冷却过程中高强钢焊接冷裂纹一般是在焊后冷却过程中msms点点附近或更低的温度区间逐渐产生的也有的要推迟附近或更低的温度区间逐渐产生的也有的要推迟很久才产生
冷裂纹的特征
冷裂纹的特征冷裂纹是指在金属材料表面或内部，由于长时间受到应力的作用而引起的裂纹。
机械工程领域中，冷裂纹的存在往往会引起许多安全隐患。
因此，了解冷裂纹的特征对于预防事故的发生具有重要意义。
接下来，本文将分步骤阐述冷裂纹的特征。
1. 形状冷裂纹的形状一般呈现为紧密的裂缝，因其是由于材料内部的应力产生而引起的，裂缝形状通常直线或几何形状。
需要注意的是，冷裂纹一般只能在金属表面上的可见裂缝和晶界上被直接发现。
2. 方向冷裂纹的方向与其形状密切相关。
在多数情况下，冷裂纹会沿着主应力方向生长。
由于多种因素的影响，其中包括材料组织、载荷类型和使用环境等，冷裂纹的方向并不是唯一的。
因此，当发现冷裂纹时，应该尽量将其方向延伸，以便更好地评估其危害程度。
3. 大小冷裂纹的大小与其形状和方向密切相关。
在多数情况下，冷裂纹的长度和深度相当，通常较小。
但是，在一些情况下，如材料极限负载、温度梯度和应力集中等情况下，冷裂纹可能表现出非常大的尺寸，进一步增加了对材料性质的威胁。
4. 形成机理冷裂纹的形成机理主要是由于材料内部的应力，包括铸造过程中的冷却过程、焊接、热处理以及材料内部的组织不均匀等多种原因。
由于这些应力很难被及时发现，因此冷裂纹的形成过程往往无法被立即监测到。
5. 预防措施为了防止冷裂纹的形成，需要采取一些预防措施。
这些措施包括严格控制材料的组织和结构、规范化的工艺流程、合理的加工和制造工艺，并且需要对材料进行定期检测和维护。
总之，冷裂纹的存在对于材料的性能和工程安全都会产生极大的影响，因此对其特征的认识是非常重要的。
只有掌握了冷裂纹的特征，才能更好地预防事故的发生，促进机械工程领域的可持续发展。
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。
总之，冷裂纹是金属在低温条件下由应力作用产生的裂纹，对构件的工作性能和安全性具有重要影响。
压力容器焊接制造中冷裂纹的形成机理及防止措施
压力容器焊接制造中冷裂纹的形成机理及防止措施作者：柳红霞来源：《经济技术协作信息》 2018年第22期一、概述压力容器与其他的焊接结构不同，其焊接接头是受压壳体的重要组成部分，承受着与壳体相同的工作压力，经受相同工作介质的物理化学作用，因此对焊接接头的质量提出了相当严格的要求。
压力容器是一种全焊结构，备受压部件（如简体、封头、接管等）都是通过焊接的方式连接在一起的。
如果在焊接过程焊接接头中存在某种缺陷，就可能导致缺陷在焊接残余应力、产品服役时的工作应力或其他工作条件（如腐蚀介质）的联合作用下逐渐扩展，深入到壳体母材并最终导致整台产品的提前失效或破裂。
在工程中，常见的焊接缺陷有裂纹、夹渣、气孔、未焊透、未熔合以及焊缝几何尺寸的偏差。
裂纹一类中，又分为冷裂纹、热裂纹、再热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹等。
本文主要介绍了在焊接制造过程中冷裂纹的形貌特征及产生原理，以及预防和在焊接工艺等方面的控制措施。
二、冷裂纹的形貌特征及形成机理焊接接头中的冷裂纹按其与焊缝轴线的相对位置，可分成平行于焊缝轴线的纵向裂纹、垂直于焊缝轴线的横向裂纹以及与焊缝熔合线平行的热影响区裂纹。
焊接接头中冷裂纹主要在屈服强度大于300MPa的低合金钢和中合金钢中产生。
钢材的强度或合金元素含量越高，产生冷裂纹的可能性越大。
在低碳钢和低碳微合金钢焊接接头中一般不会产生冷裂纹。
冷裂纹通常在焊接接头冷却到100℃以下或在室温下形成。
在某些条件下，冷裂纹在焊接结束后延迟一定的时间才形成。
焊接冷裂纹的形成机理概括的说，主要跟以下三个因素有关：l焊缝金属及热影响区淬硬组织的形成，即马氏体和贝氏体组织的形成。
采用传统的电弧熔焊方法焊接时，焊接接头热影响区被急剧加热到大约1350℃奥氏体化温度，然后随着焊接结束被快速冷却。
由于奥氏体化温度较高，晶粒急剧长大，形成粗大的奥氏体。
此外，由于冷却速度较快，使奥氏体过冷，并在较低的温度下发生马氏体或贝氏体组织相变。
冷裂纹的处理方法
冷裂纹是在金属材料冷却过程中产生的裂纹，通常由于内部应力或合金元素的不均匀分布引起。
处理冷裂纹的方法取决于裂纹的具体情况和金属材料的类型。
以下是一些可能的处理方法：
1.预防措施：
–采取预防措施是最有效的方法。
在生产和加工过程中，应注意避免过快的冷却速度、适当的温度控制以及合适的热处理，以减轻内部应力，
降低裂纹的形成风险。
2.热处理：
–对于一些金属材料，特别是合金，进行适当的热处理可能有助于消除内部应力，减少裂纹的发生。
淬火、时效等热处理方法可以调整材料
的结构和性能。
3.应力退火：
–对于已经出现冷裂纹的金属材料，进行应力退火可能有助于减轻内部应力，减缓或停止裂纹的扩展。
4.热切割：
–在进行切割等工艺时，使用热切割而不是冷切割可能有助于减少裂纹的产生。
热切割可以通过加热刀具来降低切割过程中的内部应力。
5.选择合适的材料：
–在特定应用中，选择合适的金属材料也是减少冷裂纹的关键。
了解材料的热处理特性、冷却过程对材料的影响等信息是很重要的。
6.检测和修复：
–使用非破坏性检测技术，如超声波检测、X射线检测等，可以帮助发现潜在的冷裂纹。
一旦发现裂纹，可以考虑采用适当的修复方法，如
焊接、热处理等。
7.提高工艺控制：
–提高制造和加工工艺的控制水平，确保在生产中严格控制温度、冷却速度、合金元素分布等因素，有助于减少冷裂纹的发生。
对于具体的应用和材料，最佳的处理方法可能会有所不同。
在实际操作中，建议根据具体情况采用综合性的方法，同时根据需要咨询专业工程师或冶金专家的意见。
焊接冷裂纹的分类、危害及机理
日本IL委员会通过插销试验建立的经验公式
cr [86.3 211Pcm 28.2 lg([H ] 1)
2.73t8 / 5 9.7 10 3 t100 ] 9.8 Si Mn Cu Cr Ni Mo V Pcm — C 5B 30 20 60 15 10
预测某结构各部位 的焊接拘束应力比较困 难，采用拘束度作为预 测拘束应力的桥梁比较 方便。
mR
(TM T0 ) Htg m c
同样钢种和同样板厚，由 于接头的坡口型式不同，即使拘 束度相同，也会产生不同的拘束 应力。
当拘束应力达到临界值σ cr时，产生裂纹。临界值σ cr反 映了产生延迟裂纹各种因素共同作用的结果（钢的化学 成分、接头的含氢量、冷却速度和应力状态），所以， 临界值σ cr可作为评价冷裂纹敏感性判据。
氢是引起高强钢焊接冷裂纹重要因素之一，并具有延 迟特性。
试验研究表明，含氢量越高，裂纹敏感性越大，当局 部地区的含氢量超过某一临界值[H]cr时，便开始出现 裂纹。 [H]cr与钢的化学成分、刚度、预热温度及冷却条件有 关。
碳当量与临界含氢量的关系
实验证明焊缝氢含量中的扩散氢对冷裂纹的产生和扩 展起决定作用，实际上只有在较低温度下的扩散氢才 具有致裂作用。这部分扩散氢称为“残余扩散氢[H]R”。 焊接高强钢冷至100℃附近时，氢在某些部位发生聚 集而起致裂作用，因此冷至100℃时的残余扩散氢 [H]R100才是致裂的有效氢含量。
氢在形成冷裂纹过程中的作用：
① 氢的来源及焊缝中的含氢量 焊接材料中的水分、焊件坡口处的铁锈、油污，以及环 境湿度等是焊缝中富集氢的来源。 ② 金属组织对扩散氢的影响 氢在不同组织中的溶解度和扩散系数不同。
液态金属专题培训
气孔与夹杂
气体旳析出过程
高温下溶解在液态金属中气体旳析出方式有：扩散析 出；形成化合物析出；汇集成气泡析出。
13
气孔与夹杂
析出性气孔旳特征 析出性气孔一般分布在铸件旳整个断面或冒口、 热节等温度较高旳区域。当金属含气量较少时， 呈裂纹多角形状；而含气量较多时，气孔较大， 呈团球形。 焊缝金属产生旳析出性气孔多数出目前焊缝表 面。氢气孔旳断面形状犹如螺钉状，从焊缝表 面上看呈喇叭口形，气孔四面有光滑旳内壁。 氮气孔一般成堆出现，形似蜂窝。
18
气孔与夹杂
三、夹杂物旳形成及预防措施 1、夹杂物旳起源及分类 本身杂质
(1) 炉料中旳杂质 (2) 焊材、母材中旳杂质 反应产物 (1) 熔炼过程反应产物 (2) 与周围介质（气、固、液态）间旳反应 产物
19
气孔与夹杂
夹杂物旳分类 按夹杂物化学成份
氧化物 硫化物 硅酸盐 按夹杂物形成时间
初生夹杂物 次生夹杂物 二次氧化夹杂物 按夹杂物形状
4
合金旳成份偏析
合金在凝固过程中发生旳化学成份不均匀现象称为 偏析。有微观与宏观偏析之分。
偏析主要是因为合金在凝固过程中溶质再分配和扩散 不充分引起旳，如 k0<1旳固溶体合金，晶粒内先结晶 部分含溶质较少，后结晶部分含溶质较多。
偏析对合金旳力学性能、抗裂性能及耐腐蚀性能等 有不同程度旳损害。偏析也有有益旳一面，如利用偏 析现象能够净化或提纯金属等。
V固＝V固 （TS T0 ) 100％
30
金属从浇注温度冷却到室温所产生旳体收缩为 液态收缩、凝固收缩和固态收缩之和，即:
εV总＝εV液＋εV凝＋εV固
其中，液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔 和缩松旳基本原因 。
31
裂缝焊接
• 冷裂缝的成因
•பைடு நூலகம்
1.由钢材的淬硬倾向所决定的低塑性组织 在焊接热循环
作用下，钢材的热影响区，易形成马氏体等淬硬组织，致使金属
结晶颗粒加大，因而使近缝区的组织塑性大大降低，内应力大大 集中，而造成最容易出现裂缝的条件。这里要值得我们注意的是： 焊接规范、线能量、预热温度、板厚、接头形式及环境温度等都 要考虑在内。
的防止再热裂缝的办法。但实际上，由于必须满足对钢材综合性 能的要求，这一办法往往不易实现。在生产工艺上减小再热裂缝 倾向的措施大致有： • （1）减小残余应力和应力集中，如提高预热和后热温度，保 持焊缝平滑过渡，防止各类焊接缺陷造成的应力集中缺口，以及 必要时，可将焊缝及其与母材交界处打磨光滑。 • （2）在不影响接头工作性能的前提下，选择合适的焊接材料， 提高焊缝金属在消除应力处理温度时的塑性，以提高承担松弛应 变的能力。 • （3）减小母材热影响区的过热倾向，细化奥氏体晶粒尺寸。 • 此外，由于上述措施各有一定的局限性，还应该根据不同结构、 不同材料和不同要求选用。
• 降低焊接应力
• ①选择合理的焊接顺序，减小焊接内应力。
• ②改进焊接设计，减小拘束度，避免应力集中。
• 二、焊接接头的再热裂缝
• 再热裂缝指的是焊接结构经受一次焊接热循 环后，在再经受一次加热的过程中（如消除应力 处理或其它加热工艺以及高温的工作条件），发 生在焊接接头热影响区的粗晶区，沿原来奥氏体 晶界开裂的裂缝。
成初始裂源，等到足以使金属脆化时，裂缝进一步扩展。
• 冶金方面
• ①选用碱性低氢焊条或低氢的焊接方法，如气体保护 焊。
• ②合理选择焊缝金属的合金成分，提高焊缝的塑性储 备及抗裂能力。在有些情况下，可采用奥氏体焊缝金属， 它能大量溶解氢，提高焊缝塑性，从而防止热影响区裂 缝。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
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
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
第六节 冷裂纹
冷裂纹是指金属经焊接或铸造成形后冷
却到较低温度时产生的裂纹。这类裂纹是中
碳钢、高碳钢、低合金高强钢、工具钢、钛合金 及铸铁等材料成形加工时或使用过程中极易出现 的一类工艺缺陷，对结构的安全使用破坏极大。
青岛科技大学机电工程学院
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
强烈淬硬倾向的高（中）碳钢、高强度合金钢、
工具钢的焊件中。
青岛科技大学机电工程学院
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
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。
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
青岛科技大学机电工程学院
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
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
3 1 2
3
3 2
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
青岛科技大学机电工程学院
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
本章结束
青岛科技大学机电工程学院
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
相变诱导扩散 氢在奥氏体（γ-Fe）中的溶解 熔敷金属因含碳量低于母材而先发生（A→ F+P）转变，使焊缝
度较大，扩散系数较小；而在铁素体（α-Fe）中的溶解 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 度较小，扩散系数较大。因此，当金属自高温冷却发生 马氏体转变，氢便以过饱和状态残留在马氏体中。 A→F相变时，氢就会由转变后的铁素体向尚未转变的奥 氏体中扩散，导致氢在某些部位产生聚集。
青岛科技大学机电工程学院
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
（一）接头中扩散氢的含量与分布
焊接冷却过程中，当温度足够高时，[ H ]R 能很快从 因焊接冷却速度很快，高温下溶入液态金属中的氢来 金属内部扩散逸出，不会引起裂纹；当温度很低时，氢的 不及逸出，以过饱和状态保留在已凝固的焊缝中。由于
扩散将受到抑制，也不会导致开裂。只有在一定温度范围 H 的尺寸很小，可以在金属晶格点阵中自由扩散，焊 （－100～100℃）时， [ H ]R 才会起致裂作用，这 后接头中尚未来得及扩散出去的氢称为残留扩散氢
一温度范围称为延迟裂纹的敏感温度区间。 [ H ]R 。焊后 [ H ]R 在浓度差的作用下将自发地向焊 [ H ]R在接头中的含量与焊接工艺过程有关。 缝周围的焊接热影响区扩散。
青岛科技大学机电工程学院
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
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）。 常发生在刚性较大的低碳钢、低合金钢的焊接结构中。
的浓度越高，潜伏期（延
迟时间）就越长。
图11-65 延迟断裂时间与应力的关系
σUC－上临界应力 σLC－下临界应力
青岛科技大学机电工程学院
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
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
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， 其淬硬倾向和冷裂倾向越大。
青岛科技大学机电工程学院
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
（三）接头中的拘束应力状态
如前所述，焊接接头存在拘束应力。拉伸拘束应力是 由公式可见：刚性大（弹性模量 E 大或板厚δ大）或拘 引起冷裂纹的直接原因，并且还会加剧氢的有害作用。 束距离 L 小的焊接结构，拘束度与拘束应力高，裂纹
青岛科技大学机电工程学院
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
CF62钢球罐使用过程中在焊缝附近发现的裂纹
60×
青岛科技大学机电工程学院
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
不同焊接工艺条件下熔覆金属中的扩散氢含量
钛型焊条 : 30ml / 100g
纤维素型焊条 :
青岛科技大学机电工程学院
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
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
青岛科技大学机电工程学院
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
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
（二） 钢材的淬硬倾向
（三） 接头中的拘束应力状态
青岛科技大学机电工程学院
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
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。
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
由于微裂纹的形成与裂 应 力 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
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
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，必要采用焊前预热与后热消氢处 理。
青岛科技大学机电工程学院
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
防止冷裂纹的措施
选用低氢型焊材或焊接方法 焊前严格清理焊件表面油污
冷裂纹的影响因素
减少[ H ]R含量
焊前预热 T0 =1440Pw - 392 ℃ 紧急后热 约300℃ 并保温
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：
[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； R是拘束度；δ是工件厚度（mm）；Pcm是钢材的碳当量。
青岛科技大学机电工程学院
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
[ 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”
的多发部位。
青岛科技大学机电工程学院
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
青岛科技大学机电工程学院
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
“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。
青岛科技大学机电工程学院
低氢型焊条 :
60ml / 100g
5 - 7ml /100g
超低氢型焊条 :
熔化极（或钨极）氩弧焊 :
2 - 5ml /100g
2ml/100g
药芯焊丝气体保护焊 :
埋弧焊 :
6 - 10ml/100g
2 - 7 ml/100g
青岛科技大学机电工程学院
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
（二）钢材的淬硬倾向
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
青岛科技大学机电工程学院
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
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