焊接裂纹及形成条件_形成机理

2、焊接裂纹综合分析及判断 3、各种裂纹断口形貌特征
第五章 焊接裂纹
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§5-1 概述
一、危害性
焊接结构产生裂纹轻者需要返修，浪 费人力、物力、时间，重者造成焊接结构 报废，无法修补。更严重者造成事故、人 身伤亡。如1969年有一艘5万吨的矿石运输 船在太平洋上航行时，断裂成两段而沉没 ，在压力容器破坏事故中，有很多都是由 于焊接裂纹造成。因此，解决研究焊接裂 纹已成为当前主要课题。
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
第五章 焊接裂纹
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2)、工艺方面（减少拉应力）
(ⅰ)应变率e,
t
E ↑、T0
e
第五章 焊接裂纹
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1)、热裂纹分类
a. 结晶裂纹：在凝固的过程--结晶过程中产生
b. 高温液化裂纹：在高温下产生,钢材或多层
焊的层间金属含有低熔点化合物经重新溶化 ，在收缩应力作用下,沿奥氏体晶间发生开裂
c. 多边化裂纹：产生温度低于固相线温度,存
在晶格缺陷(位错和空位),物理化学的不均匀 性,在应力作用下,缺陷聚集形成多边化边界, 使强度塑性下降,沿多边化边界开裂,多发生 纯金属或单相奥氏体合金焊缝。
第五章 焊接裂纹
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三、热裂纹与冷裂纹的基本特点
裂纹 产生温度 产生部位
宏观特征
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
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
3、影响因素 v
第五章 焊接裂纹
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①如果拉伸应力所产生的变形随温度T按曲 线（1）变化，e随T按曲线（1）变化。产生 了△e变形量，但焊缝仍有△es的塑性储备量 即△es>0，不产生热裂纹 Pmin e e 0 ②当按曲线2变化时,此时由拉伸应力所产生 的应变,恰好等于焊缝的最低塑性值,即处于 临界状态.
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结论：
①脆性温度区间大小, TB大，拉应力作用时 间长，产生裂纹可能性大，决定于焊缝化学 成分，杂质性质与分布，晶粒大小。
②脆性温度区（TB）内金属的塑性，TB内金属 的塑性越小，越易产生结晶裂纹。
③TB内随温度降低变形的增长率（拉伸应力 的增长率）,临应变率CST越大,则表示材料的 热裂纹敏感性越小,越不易产生裂纹。
成Fe-FeS-FeO三元共晶，使FeS由薄膜变成 球状，裂↓
日本JWS临界应变增长率CST
CST=(-19.2C-97.2S-0.8Cu-1.0Ni+ 3.9Mn+65.7Nb-618.5B+7.0)*10-4
当 CST 6.5104 时，可以防止裂纹
热裂敏感系数HCS公式
HCS C S P (Si / 25 Ni /100) 103
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2、特点
1）、发生部位与材料 发生在焊缝中，常见于单相奥氏钢或纯金属的 焊缝金属 裂纹走向：以任意方向贯穿树枝状结晶
2）、常常伴随有再结晶晶粒出现在裂纹附近， 多边化裂纹总是迟于再结晶
3）、裂纹多发生在重复受热金属中（多层焊） 4）、断口呈现出高温低塑性断裂
第五章 焊接裂纹
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③按曲线（3）变化时，△e超过了焊缝塑性的
最低值， e产生0裂纹
Pmin e es 0
第五章 焊接裂纹
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产生裂纹的条件
在脆性温度区焊缝所承受的拉伸 应力所产生的变形大于焊缝金属所 具有的塑性时产生裂纹即 es ,高0 温 阶段晶间塑性变形能力不足以承受 当时所发生塑性应变量。
第五章 焊接裂纹
第五章 焊接裂纹
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延迟裂纹
第五章 焊接裂纹
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4）、层状撕裂：
由于轧制母材内部存 在有分层的夹杂物(特 别是硫化物夹杂物） 和焊接时产生的垂直 轧制方向的应力，使 热影响区附近地方产 生呈“台阶”状的层 状断裂并有穿晶发展 。
第五章 焊接裂纹
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5）、应力腐蚀裂纹：
金属材料在某些 特定介质和拉应 力共同作用下所 产生的延迟破裂 现象，称应力腐 蚀裂纹。
相变应力↓裂↓
第五章 焊接裂纹
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2)、力的因素
在焊接时脆性温度区内金属的强度要小在脆性 温度区内金属所承受的拉伸应力。 产生结晶裂纹的充分条件。 m
m —在脆性温度区内金属的强度
—在脆性温度内金属所承受的拉伸应力
金属的强度 m 决定于 1 —晶内强度
0—晶间强度
第பைடு நூலகம்章 焊接裂纹
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T↑ ↓1 0 ↓ T→ T0 1 = 0
微观看：晶间断裂，但也可穿晶（晶内）断裂， 也可晶间和穿晶混合断裂。
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冷裂纹分类：
a. 延迟裂纹：特点不在焊后立即出现，有 一段孕育期产生迟滞现象称延迟裂纹。
b. 淬硬脆化裂纹（淬火裂纹）：淬硬倾向 大的组织易产生这种裂纹（与氢含量关 系不大）。
c. 低塑性脆化裂纹：在比较低的温度下， 由于收缩应变超过了材料本身的塑性储 备产生的裂纹称低塑性脆化裂纹。
3Mn Cr Mo V
当HCS<4时，可以防止裂纹
第五章 焊接裂纹
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③凝固时界面张力
杂质的低熔点共晶所造成的液 态薄膜是产生结晶裂纹的重要 因素，若将晶界的液态薄膜改 变为球状的形态，抗裂性↑
第五章 焊接裂纹
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固相晶粒之间和固液之间表面张力的
平衡关系为
SS
2 SL
cos 2
SL—固体晶粒与残液之间的表面张力
第五章 焊接裂纹
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d)、Si
硅是 相 形成元素，利于消除结晶裂 纹 ,相中S、P溶解度大缘故，Si>0.4%
易形成低熔点的硅酸盐夹杂使裂↑
e)、钛Ti 锆（4）和稀土元素 对硫的亲合力大，形成高熔点的硫 化物，消除结晶裂纹有良好的作用。
第五章 焊接裂纹
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f)、O O↑降低S的有害作用，氧、硫、铁能形
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晶 间 裂 纹
HAZ液化裂纹
多边化裂纹
第五章 焊接裂纹
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2）、再热裂纹（消除应力处理裂纹）
由于重新加热（热处理）过程中产生 称再热裂纹—消除应力处理裂纹。
3）、冷裂纹
产生温度：温度区间在+100℃～-75℃之间
存在部位:多在热影响区,但也有发生在焊缝。
特征（断口）：宏观断口具有发亮的金属光泽 的脆性断裂特征。
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
产生结晶裂纹的条件是冶金因素和力共同作 用，二者缺一不可
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三、防止结晶裂纹的措施
第五章 焊接裂纹
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二、种类
各种不同类型的裂纹 ①焊缝中纵向裂纹②焊缝上横向裂纹 ③热影响区纵向裂纹④热影响区横向裂纹 ⑤火口（弧坑）裂纹⑥焊道下裂纹 ⑦焊缝内部晶间裂纹⑧焊趾裂纹 ⑨热影响区焊缝贯穿裂纹⑩焊缝根部裂纹
第五章 焊接裂纹
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分类:
1、 按裂纹分布的走向分
①横向裂纹 ②纵向裂纹
③星形（弧形裂纹） 2、 按裂纹发生部位分
①焊缝金属中裂纹
纵向裂纹
②热影响区中裂纹
③焊缝热影响区贯穿裂纹
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3 、按产生本质分类
1）、热裂纹 （高温裂纹） 产生：热裂纹(高温裂纹)高温下产生 存在部位：焊缝为主,热影响区
特征：宏观看, 沿焊缝的轴向成纵向分
布（连续或继续）也可看到缝横向裂纹 ，裂口均有较明显的氧化色彩，表面无 光泽，微观看，沿晶粒边界（包括亚晶 界）分布，属于沿晶断裂性质
第五章 焊接裂纹
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以低碳钢焊接为例可把熔池的结晶分 为以下三个阶段
①液固阶段：（1区）
②固液阶段：这一区 也称为“脆性温度区” 即图上a、b之间的温 度范围 ③固相阶段：也叫 完全凝固阶段
Tb—称为脆性温度区，在比区间易产生结晶裂纹，杂质较少的金属, Tb 小产生裂纹的可能性也小，杂质多的金属Tb大，产生裂纹的倾向也大
断裂，也有晶间和穿晶
混合断裂
第五章 焊接裂纹
本节结束15
§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。
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 [Mn] [FeS] [MnS 其中Mn熔
点高，早期结晶星球状分布，抗裂↑
注意： 含碳量C<0.016% S↑裂↑但加入Mn↑裂↓ 含碳量C>0.016% P对形成结晶裂纹的作用超 过了S，Mn↑无意义
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
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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↑
初生相： 相裂↑ 裂↓ 线 膨胀系数小于 ，
第五章 焊接裂纹
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液化裂纹
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3、影响因素
1）、化学成分 2）、工艺因素
4、防止措施
1）、控制S、P等杂质含量 如采用电渣精炼的方法，去除合金中的杂质。 2）、焊接工艺上，采用小线能量，避免近缝 区晶粒粗化
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五、多边化裂纹
1、形成条件（形成机理）
多边化现象，焊缝金属中存在很多高密 度的位错在高温和应力的共同作用下， 位错极易运动，在不同平面上运动的刃 型位错遇到障碍时可能发生攀移，由原 来的水平组合变成后来的垂直组合，即 形成“位错壁”就是多边化现象。
焊接裂纹
第五章 焊接裂纹
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第五章 焊接裂纹
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节
概述 焊接热裂纹 焊接冷裂纹 再热裂纹 层状撕裂 应力腐蚀裂纹 焊接裂纹综合分析和判断
第五章 焊接裂纹
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重点内容
1、裂纹的分类用一般特征 2、结晶裂纹的形成机理 2、焊接冷裂纹的形成机理，特
征、影响因素，及其防冶措 施
第五章 焊接裂纹
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3）产生结晶裂纹的条件
如图纵座标表示温度，横坐 标表示由拉伸应力所产生的 变形（e）和金属的塑性 （P），脆性温度区的范围 用Tb表示上限是固液温度开 始下限固相线附近，或低于 固相线一段温度。
在脆性温度区内焊缝的塑性用P表示,是温度的 函数，P (T ) ,当在某一瞬时温度时有一个最 小的塑性值（Pmin)（出现液态薄膜时）受拉伸 应力所产生的变形用e表示，也是温度的函数 .
t ↑应变率 ↓
（ ）接头预热型式 适当增加线能量（q/v）
接头型式合理
（ ）妥善安排焊接次序焊次序
第五章 焊接裂纹
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四、近缝区液化裂纹
1、 产生部位及材料
通常产生在母材的热影响区的粗晶区，也 可产生在多层焊缝的焊层之间液化裂纹属 于晶间开裂性质，裂纹断口呈典型的晶间 开裂特征。
2、 产生原因
1）、近缝区晶界处存在低熔点杂质 2）、近缝区存在晶间液膜(低熔点共晶体)
i)S、P增加结晶温度区间,脆性温度区间TB↑裂纹↑
ii)S、P产生低温共晶,使结晶过程中极易形成
液态薄膜,因而显著增大裂纹倾向 iii)P、S引起成分偏析.实验可知P、S偏析 系数K越大,偏析的程度越严重.偏析可能 在钢的局部地方形成低熔点共晶产生裂纹。
第五章 焊接裂纹
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b)、C
i)、C<0.1% C↑结晶温度区间↑,裂纹↑
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结 晶 裂 纹
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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
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二、焊接结晶裂纹的影响因素
1）、冶金因素
①结晶温度区间：合金状态图脆性温度 区的大小随着该合金的整个结晶温度区 间的增加而增加
如图 S点、结晶区间 最大、裂纹倾向最大、 共晶点、裂纹倾向最小。 实践平衡条件下，虚线
不平衡结晶。
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②合金元素
a)、S、P增加结晶裂纹倾向