焊接冶金原理07焊接裂纹0课件3

1、第七章 焊接裂纹7.1焊接热裂纹7.2焊接冷裂纹7.3其他焊接裂纹7.3其他形式的裂纹7.3.1再热裂纹1、 再热裂纹的主要特征 有某些沉淀强化合金元素的钢材的厚板焊接结构在进行消除应力热处理或在一定温度下服役的过程中，在焊接热影响区粗晶部位形成的裂纹称为再热裂纹。由于这种裂纹是在再次加热过程中产生的，故称为“再热裂纹”，又称“消除应力处理裂纹”(Stress Relief Cracking)简称SR裂纹。1）从材料来看，含有一定沉淀强化元素的金属材料，如低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢和某些镍基合金具有高的再热裂纹敏感性，碳钢和固溶强化的金属材料一般不形成再热裂纹。2）从形成的条件来

2、看，裂纹的形成发生在“再热”（热处理或一定温度下服役）过程中，且焊接区有较大的残余应力并伴有应力集中。对确定的材料有明显的再热裂纹敏感温度区间：对沉淀强化的低合金高强钢，敏感温度约为500-700；对奥氏体不锈钢和高温合金，敏感温度约在700-900之间。3）从裂纹位置和扩展路径来看，再热裂纹均发生在焊接热影响区的粗晶区，裂纹沿熔合线母材一侧奥氏体粗晶晶界扩展（呈沿晶开裂），焊缝和热影响区的细晶区不产生再热裂纹。(a)(b)焊接热影响区粗晶区再热裂纹：(a)P23管材钢厚板焊多层多道焊条电弧焊 ；(b) Cr-Mo-V钢埋弧焊Inconel 738LC超合金钨极氩弧焊（GTA）热影响区再热裂纹

3、2、再热裂纹的形成机理再热裂纹的形成是近缝区粗晶区应力集中部位的晶界变形量超过其塑性变形能力而导致的，即：为晶界局部的实际应变， 为产生裂纹的晶界局部塑性变形能力晶界杂质析集弱化说晶内二次强化说蠕变断裂说再热裂纹形成机理晶界杂质析集弱化说“再热”（热处理或一定温度下服役）过程中杂质元素向晶界的析集而导致的晶界脆化是再热裂纹形成的根本原因。按照晶界杂质析集弱化说，再热裂纹的形成应该由杂质元素向晶界的扩散析集过程所控制，因此，其过程应该具有热激活的特征，且与杂质原子的扩散激活能有关。HT80B钢在500-700的再热裂纹开裂时间与温度的关系：对于一些低合金高强钢，P、S、Sb、Sn、As等元素在5

4、00-600热处理过程中向晶界析集，大大降低了晶界的塑性变形能力，导致晶界脆化晶内二次强化说 沉淀强化元素的沉淀相（如碳化物、氮化物等）在焊接快速冷却过程中未能充分析出，在“再热”（热处理或一定温度下服役）过程中，这些沉淀相在晶内析出而使晶内发生二次强化，从而使应力松弛所产生的应变集中于晶界，当晶界塑性不足时就形成再热裂纹。 只有那些含有一定沉淀强化元素的钢和合金具有较高的再热裂纹敏感性，如含Cr、Mo、V、Ti、Nb等能形成碳化物、氮化物沉淀相的合金元素的低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢，以及Ni3(Al,Ti)（ 相）沉淀强化的镍基合金等蠕变断裂说再热裂纹的形成需要温度和应力两个条

5、件，而在这两个条件作用下材料将发生蠕变变形（应力松弛）和损伤过程，因此，蠕变断裂理论认为，再热裂纹的形成可以用蠕变断裂来解释。“楔形开裂”模型(Wedge Mode)在蠕变条件下，晶界相互滑动是应力松弛的主要方式之一，在三晶粒交界处由于晶界的相互滑动容易形成应力集中，当应力超过晶界的结合强度时便形成裂纹。“空位聚集开裂”模型(Cavitation Mode)空位在一定温度和应力梯度作用下，趋于向与拉应力垂直的晶界聚集，当晶界空位聚集到一定数量时，晶界结合被削弱，在拉应力作用下形成裂纹。3、再热裂纹的影响因素与预防措施成分因素 成分因素（母材成分）主要是指合金元素的种类及含量，对近缝区粗晶区的晶

6、粒长大行为及塑性有决定性的影响，是影响再热裂纹敏感性的内因。 对于低合金高强钢，C、Cr、Mo、V等被认为是增加再热裂纹敏感性的元素。判据： 钢中的杂质，如As、Sn、P、S等，尤其是Sb对再热裂纹敏感性有显著影响。工艺因素对一些晶粒长大比较敏感的钢种，增大线能量或采用大线能量的焊接方法将增加再热裂纹敏感性，而对一些淬硬倾向较大的钢种，增大线能量或采用大线能量的焊接方法反而有利于减小再热裂纹倾向。预热和后热可以降低热影响区的淬硬倾向、减小焊接残余应力，是预防再热裂纹的有效措施之一。应力因素合理的焊接结构设计、焊接施工次序对减小残余应力和应力集中至关重要；焊接缺陷，如焊缝咬边、未焊透等往往容易形

7、成应力集中，增加再热裂纹的倾向。采用低强匹配焊接材料，增加焊缝金属的塑性，降低再热裂纹敏感温度区间焊缝金属强度，有利于降低近缝区的应力，对预防再热裂纹有利。7.3.2层状撕裂1、层状撕裂的形成和主要特征在海洋工程、核反应堆和潜艇建造等大型高强钢厚壁（厚板）焊接结构中，有时出现一种平行于轧制方向的阶梯形裂纹，即所谓层状撕裂（Lamellar Tear）。属于低温开裂，一般低合金钢撕裂的温度不超过400。主要原因是钢中夹杂物轧制过程中变形形成平行于轧制方向的层状分布(特别是层状硫化物，氧化物)；当垂直于轧制方向即板厚方向（称为Z向）存在拉应力且达到或超过夹杂物与基体金属之间的结合强度时，将在夹杂物

8、与基体金属之间形成微裂纹，微裂纹在应力持续作用下持续扩展便形成宏观裂纹甚至断裂焊接层状撕裂主要有以下特征：1）从材料来看，层状撕裂与钢的强度级别关系不大，主要与钢中的夹杂物含量及分布形态有关。有时铝合金焊接结构也出现层状撕裂。2）从裂纹的扩展形态和断口特征来看，层状撕裂多呈现由一系列平行于轧制方向的“平台”和连接这些“平台”的“剪切壁”构成的阶梯形态，其中的“平台”由裂纹沿片层状夹杂扩展而形成，而“剪切壁”由相邻“平台”之间在剪切力作用下发生剪切断裂而形成。正是由于层状撕裂的启裂和扩展与夹杂的密切关系，在“平台”上通常可以发现不同类型的非金属夹杂低合金钢焊条电弧焊的层状撕裂层状撕裂形成示意图：

9、(a)阶梯形态形成示意图；(b)“平台”上的夹杂物3）从接头形式来看，层状撕裂常出现在T形接头、角接头和十字接头中。显而易见，这些接头形式容易形成垂直于轧制方向（Z向）的拉应力。4）从裂纹位置来看，层状撕裂多出现在热影响区（最常见），但有时也出现在远离热影响区的母材中，后一种情况多般是因为钢材中含有较多的片层状MnS夹杂，这也充分证明了层状撕裂的属性。有时，在焊趾或焊根处也会因冷裂纹而诱发形成层状撕裂典型接头的层状撕裂：(a)T形接头；(b) T形接头（深熔）；(c)角接头；(d)对接接头2、层状撕裂的影响因素1）非金属夹杂物当沿轧制方向有较多的片层状MnS时，裂纹的扩展多呈现阶梯形态（最常见

10、）；当钢中夹杂以硅酸盐为主时，层状撕裂常呈平面形态；当钢中夹杂以Al2O3为主时呈不规则阶梯状。2）拘束应力拘束应力是形成层状撕裂的外因，对层状撕裂的形成起关键作用的是Z向（垂直于轧制方向）拉应力。3）氢的影响在热影响区焊趾或焊根等应力集中部位，有时会因为冷裂纹诱发层状撕裂，氢也会成为层状撕裂的一个重要影响因素。但是，氢对层状撕裂的影响并不是一个普遍现象。3、层状撕裂的控制措施材料方面，尽可能选择抗层状撕裂的母材，通过严格硫的控制，或添加Ti、Zr、Mo和稀土元素等，改变夹杂物的形状和分布（细化、球化等），改善钢的Z向性能和抗层状撕裂性能。在结构设计方面，应尽可能减小Z向应力和应力集中。对角接

11、头应尽可能在承受Z向应力的母材一侧开坡口。焊接工艺方面，为防止由于冷裂纹而诱发层状撕裂，可采用预防冷裂纹的措施，如降低氢含量、适当提高预热温度、控制层间温度等；对T形接头，可以考虑在承受Z向应力的母材（横板）上预先堆焊一层强度较低而塑性较好的熔敷金属，以减小横板的Z向应力，增加主焊道近缝区的塑性。预防层状撕裂的结构和工艺设计：(a)角接头坡口设计；(b)T形接头焊接工艺设计7.3.3应力腐蚀裂纹 金属材料在某种特定的介质和一定的应力共同作用下引起的延迟开裂现象称为应力腐蚀，期间形成的裂纹称为应力腐蚀裂纹（Stress Corrosion Cracking，简称SCC）。 虽然已有研究表明，压应

12、力条件下也可以发生应力腐蚀，但常见的、危害最大的还是拉应力条件下的应力腐蚀裂纹。由于焊接接头（焊缝和热影响区）在组织结构上的特殊性，如晶粒粗大、成分的非均匀性等，相同条件下焊接接头往往比一般金属材料具有更高的应力腐蚀裂纹敏感性。随着石油化工工业的发展，在腐蚀介质中工作的焊接结构，如容器、管道等经常发生应力腐蚀破坏而造成结构提前失效。1、应力腐蚀裂纹的形成金属在介质中的腐蚀是电化学过程，作为阳极的金属溶解，同时释放出电子，这些电子被阴极过程所吸收，从而导致金属不断溶解。阴极过程可以是析氢反应，也可以是吸氧反应或其他吸收电子的过程，即：阳极：金属溶解阴极：析氢腐蚀吸氧腐蚀无论析氢还是吸氧都是阴极去

13、极化的过程，有利于增强腐蚀过程。当阴极发生析氢过程时称为氢去极化腐蚀或析氢腐蚀，当阴极发生吸氧过程时称为氧去极化腐蚀或吸氧腐蚀根据电化学应力腐蚀开裂理论，应力腐蚀裂纹的形成与发展本质上受控于应力作用下的电化学腐蚀过程，按宏观机理可以有两种类型：一种是阳极的快速溶解导致的形核和扩展，称为“阳极溶解开裂”（Active Pass Corrosion，简称APC）；另一种是阴极析出的氢扩散进入裂纹尖端，导致裂纹尖端氢脆而扩展，称为“阴极氢脆开裂”（Hydrogen Embrittlement Cracking，简称HEC）。应力腐蚀机理示意图：(a)阳极溶解开裂(APC)；(b)阴极氢脆开裂(HEC

14、)当应力腐蚀的阴极过程为吸氧反应，或者虽然阴极是析氢反应，但进入金属内部的氢浓度低于材料氢致开裂的门槛值，裂纹的形核和扩展由阳极溶解过程所控制时，形成阳极溶解型应力腐蚀裂纹（APC），意味着裂纹尖端处于阳极区，被称作“应力-阳极开裂；当阳极金属溶解所对应的阴极过程为析氢反应，且原子氢可以快速扩散进入金属内部，裂纹的扩展受阴极氢的行为控制时，形成阴极氢脆型应力腐蚀裂纹（HEC），裂纹尖端处于阴极区，被称作“应力-阴极开裂。阴极析氢对阳极溶解开裂的影响示意图阳极溶解过程和阴极析氢过程是同时发生的，而且往往相互影响，不能绝对区分。一个应力腐蚀过程是APC还是HEC，主要看哪种过程是控制机制（起主导作

15、用）。如果体系的阴极过程为析氢反应且裂纹尖端为阳极，则发生阳极溶解的同时，材料的表面及裂纹两侧的阴极区氢离子获得电子而析出的氢原子也可以在应力梯度作用下向裂纹尖端（阳极区）扩散，使裂纹尖端脆化而扩展，从而进一步加速裂纹的扩展。2、 应力腐蚀裂纹的主要特征1）分布与形态应力腐蚀裂纹既可出现在焊缝，也可出现在热影响区。从外观上看形态各异，常见网状和龟裂状；分布具有明显的局部性，往往集中在某一或某些局部区域；从横截面看，形态也不一，在较低放大倍数（数十倍）下如同干枯的树木根须（细长而多分枝）是典型的形态之一12Cr5Ni2Mo马氏体不锈钢脉冲MIG焊接热影响区酸化NaCl溶液(pH=3.3)应力腐蚀

16、裂纹2）扩展行为与路径发源于表面，从表面向内部扩展，扩展方向基本垂直于拉应力方向；应力腐蚀断口具有金属光泽，为典型的脆性断口，扩展路径依腐蚀体系（材料和介质）可以是沿晶也可以是穿晶，还可以是二者混合。应力腐蚀裂纹的扩展路径与腐蚀体系（材料和介质）密切相关。同一种（类）材料因为腐蚀介质的差异，既可以是沿晶也可以是穿晶，例如，在不同介质条件下，镍基合金也可以是穿晶，而奥氏体不锈钢，也可以表现为沿晶AZ31镁合金钨极氩弧焊(GTAW)焊缝蒸馏水应力腐蚀裂纹1Cr18Ni9Ti不锈钢氯化物应力腐蚀裂纹（300）3）延迟特征应力腐蚀裂纹具有延迟性质，这一点从应力腐蚀裂纹的形成机制不难理解，因为无论是阳极

17、溶解开裂(APC)还是阴极氢脆开裂(HEC)都是与时间相关的过程。应力腐蚀裂纹的延迟特性（裂纹形成时间与扩展速率）与应力和腐蚀介质有关。4）应力相关性应力腐蚀裂纹是一种低应力开裂，但只有存在应力（尤其是拉应力）时才能产生应力腐蚀裂纹，这种应力可以是外加应力，或是加工和热处理过程中引入的残余应力。焊接接头产生应力腐蚀的应力通常是焊接过程形成的残余应力。对于确定的应力腐蚀体系（材料和介质）存在一个临界应力值，称为应力腐蚀开裂的门槛应力（th），只有当应力高于该门槛应力时，才能形成应力腐蚀裂纹，而且应力越高，裂纹形核和扩展的时间（即试样延迟断裂时间）越长；当应力当应力低于该门槛应力时，不产生应力腐蚀

18、裂纹。应力腐蚀的门槛门应力由应力腐蚀体系即腐蚀介质和金属材料的力学性质决定。由于应力腐蚀的门槛门应力通常远低于材料的断裂强度（b），加之具有延迟特征，因此，应力腐蚀裂纹容易导致无先兆的灾难性事故。5）介质相关性应力腐蚀裂纹是在应力和介质共同作用下形成的，其形成和发展与介质具有强相关性。通常，纯金属不产生应力腐蚀裂纹，但合金（即便是含微量合金元素的合金）在特定的介质中都具有一定的应力腐蚀裂纹倾向，但其敏感性取决于材料与介质的组合，即一种材料通常仅对某些特定的介质表现出敏感性。常见材料的应力腐蚀介质3、应力腐蚀裂纹的预防措施1）材料选择 一种材料通常仅对某些特定的介质表现出应力腐蚀敏感性，反过来，一种介质通常也仅对某些金属材料具有应力腐蚀倾向。可以根据确定的介质（工作介质或环境介质）尽可能选择对其不形成应力腐蚀裂纹或应力腐蚀裂纹敏感性较小的材料。2）焊接制造 减小焊接残余应力和成分的不均匀性、避免接头（焊缝和热影响区）严重的晶粒长大