焊缝成形中的热裂纹与冷裂纹

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。 在纯金属或单相奥氏体焊缝或近缝区中，刚凝固的金属存 在很多晶格缺陷，晶格缺陷在高温条件下的扩散聚集形成低 塑性的二次边界（多边化晶界），在收缩应力的作用下由多 边化晶界产生多边化裂纹。 在其它材料的焊接热影响区中，在高温条件下由晶内晶界 的不均匀变形加上晶界的缺陷聚集而失强、失塑导致的晶界 开裂属于高温失延裂纹。
第三节
焊接冷裂纹
一、 冷裂纹的分类
(一) 延迟裂纹
这种裂纹是冷裂纹中一种普遍形态，它的主要特点是不在焊后立即出现，而是 有一定孕育期，具有延迟现象 1. 焊趾裂纹 2. 焊道下裂纹 3. 根部裂纹
(二) 淬硬脆化裂纹(或称淬火裂纹)
它完全是由冷却时马氏体相变而产生的脆性造成的，这种裂纹基本上没有 延迟现象，焊后可以立即发现，有时出现在热影响区，有时出现在焊缝上
1. 焊缝中氢的溶解与扩散 来源：焊接时焊接材料、坡口表面的铁锈、油污、空气中水分 中的氢会熔入焊缝金属 溶解与扩散：氢在铁素体中的扩散速度要显著大于奥氏体中 氢在铁素体中的溶解度小，扩散速度大；相反，氢在奥氏 体中溶解度大，扩散速度小。
2. 氢在焊接接头中的扩散集聚
焊接低合金高强钢时，焊缝冷却时焊缝的相变点也总是高于母材 (因为，为了改善焊接性，焊缝的含碳量总是低于母材) 所以，焊缝中的H中冷却过程中要先从焊缝向母材HAZ区扩散，由于氢在 HAZ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HAZ由奥氏体向马氏体转变时(TAM)，氢便以过饱和状态残留在 马氏体中，促使这个地区进一步脆化,为延迟裂纹的产生创造了条件。
第五章 材料成型中的裂纹
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
三、 焊接冷裂纹的形成机理
高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素:
钢种的淬硬倾向、焊接接头氢含量及其分布，接头所承受的拘束应力状态
(一) 钢中的淬硬倾向 钢种的淬硬倾向主要决定于化学成分、板厚、焊接工艺和 冷却条件等。焊接时，钢种的淬硬倾向越大，产生裂纹的倾向 越大。其原因为： 1. 形成脆硬的马氏体组织 ：对裂纹和氢脆的敏感性很大 2. 淬硬会形成更多的晶格缺陷：钢种的淬硬倾向越大，组织的硬 脆性越大，位错密度越大；空位和位错在应力作用下发生移动 和聚集，形成裂纹源裂纹乃至裂纹的倾向也越大 组织对裂纹敏感性大致顺序（小 大） 铁素体或珠光体－下贝氏体－低碳马氏体－上贝氏体－粒状贝 氏体－M-A组元－高碳马氏体
三、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. 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。
3. 延迟裂纹的开裂机理 充氢钢拉伸试验时出现代现象：
•断裂时，存在一个“上临界应
力σuc”和 “下临界应力σLc”。 •当应力在σuc和σLc之间时， 就会出现由氢引起的延迟断裂 •钢延迟裂纹只是在一定的温 度区间(-100～+100℃)发生， 温度太高则氢易逸出，温度太 低则氢的扩散受到抑制，因此 都不会产生延迟现象的断裂 •延迟裂纹的产生还与钢的组 织具有密切的关系 :低碳（铁 素体）钢和奥氏体钢都不会发 生延迟裂纹 •氢的应力诱导扩散开裂理论
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
(二) 氢的作用
• 氢是引起高强钢焊接冷裂纹重要因素之一，并具有延迟特征， 因此，在许多文献上把氢引起的延迟裂纹称为“氢致裂” (Hgdrogen induced Crack) • 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[6]，此值称为产 生冷裂纹的临界含氢量［H］cr ，产生冷裂纹的［H］cr 并不是一 定值，它与钢种的化学成分、结构刚度、预热温度及冷却条件等 有关。 •冷却 到100℃以下时，焊缝中的扩散氢已不易向外扩散逸出，而是向某 个部位扩散集聚而引起裂纹
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； •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 。 •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 ；
(三) 低塑性脆化裂纹
某些塑性较低的材料，冷至低温时，由于收缩力而引起的应变超过了材质 本身所具有的塑性储备而产生的裂纹
二、冷裂纹的特征
1. 容易出现冷裂纹的钢种
冷裂纹常产生在中、高碳钢，低合金高强钢和钛合金等金属材料焊接接头中 。这与钢种的淬硬倾向有关。淬硬倾向越大的钢种，冷裂纹倾向越大。
2. 形成冷裂纹的温度
δ
δw 11
• 拘束度R与板厚δ成正比，而与拘束距离L成反比。因此，调节δ 和L的数值可改变拘束度的大小。当L越小，δ增大时，则拘束度 增大。 • 当R值增大到一定程度时就产生裂纹，这时的R值称为临界拘束度 (Rcr)。 • 若接头的临界拘束度Rcr 值越大，就表示该接头的抗裂性越强。
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 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
(三) 焊接接头的应力状态
1.焊接热应力 由于焊接属于不均匀加热及冷却过程，因此会引起不均匀的膨 胀和收缩，焊后将会产生不同程度的残余应力。这种应力的大小与 母材和填充金属的强度、热物理性质和结构的刚度有关。强度越高、 线胀系数越大及结构刚度越大时残余应力越大。对于屈服点较低的 低碳钢，残余应力可达σs的1.2倍。 2. 金属相变产生的组织应力 由于相变时的体积膨胀，将会降低焊后收缩时产生的拉伸应力 3. 结构自拘束条件所造成的应力 这种应力包括结构的刚度、焊缝位置、焊接顺序、构件的自重 、负载情况，以及其他受热部位冷却过程中的收缩等均会使焊接接 头承受不同的应力。 上述三种应力的综合作用统称为拘束应力
冷裂纹是在材料的马氏体转变点（Ms）以下。
3.冷裂纹的延迟特征
冷裂纹可以在焊后立即出现，也有时要经过一段时间(几小时，几天甚至更 长)才出现。且随时间延长逐渐增多并扩展。
4. 冷裂纹的开裂形式
冷裂纹多出现在焊接热影响区，有时也出现在焊缝。冷裂纹的断裂与热裂纹 不同，它是既有沿晶、又有穿晶开裂的复杂断口。
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. 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 ）
S P δ相 0.18 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 (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]。 (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
(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”
焊接拘束应力的大小决定于受拘束的程度，可以采用拘束度R来表 示。拘束度分为拉伸拘束度和弯曲拘束度，通常所谓拘束度常指拉 伸拘束度。 拉伸拘束度的定义：焊接接头根部间隙产生单位长度的弹性位移 时，单位长度焊缝上所需要的力。
R = F ⋅ δ ⋅1 = E
δ
L
L
(N/(mm·mm))
式中 δ——板厚 E－母材的弹性模量 （N/mm2） F－拉伸应力（N/mm2） L－拘束距离(mm)
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
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