第五章材料成形中的裂纹
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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
•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 。
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；
(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
Baidu Nhomakorabea、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. 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 ）
δ相
S
0.18
P
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
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
•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
(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2000～2100℃、 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]。
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
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。
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。
(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”
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
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
•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 。
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；
(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
Baidu Nhomakorabea、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. 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 ）
δ相
S
0.18
P
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
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
•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
(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2000～2100℃、 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]。
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
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。
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。
(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”
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