金属焊接性及断口分析2-焊件失效分析

金属焊接及断口分析一、焊件失效分析的概念﹑目的和意义

（一）焊件失效分析的概念

焊件失效：在焊接产品的零部件组装焊接过程中，由于产生裂纹、气孔、夹杂等缺陷，或者产生变形，或者接头产生严重脆化而使焊件丧失规定功能的质量事故。焊件失效分析：针对焊件失效，在分析失效现场资料和背景资料的基础上，通过一系列的物理化学试验，获得大量反映失效物理过程的信息，然后对这些信息通过由表及里、由此及彼、去粗取精、去伪存真的综合分析，找出失效的原因，并采取相应的措施消除隐患，从而保证焊件质量的技术工作。（二）焊件失效分析的目的

找出焊件失效的原因，制定有效的解决措施，防止类似的事故再次发生。（三）焊件失效分析的意义

1、保证焊接产品的生产过程正常运转，从而保证焊接产品的质量。

2、促进焊接技术不断提高。

（一）焊接变形引起的失效

主要有以下几种:1、纵向收缩变形（动画1）

2、横向收缩变形

3、挠曲变形（动画2）

4、角变形（动画3）

5、波浪变形（动画4）

6、螺旋变形（动画5）

7、错边变形（动画6）

二、焊件失效的种类和特征（二）焊接裂纹引起的失效

1、热裂纹结晶裂纹、高温液化裂纹、多边化裂纹特征：（1）产生的温度：上限稍高于焊缝名义固相线；下限略低于焊缝名义固相线。（2）产生的部位：焊缝、近缝区、多层焊层间（3）化学成分特点：焊缝中S、P、或Ni等元素较多。（4）金相特征：沿一次结晶组织的晶界分布。（图1）（5）断口特征：宏观：有明显的氧化色彩；微观：为沿晶液膜分离断口。（图2）2、冷裂纹

延迟裂纹、淬硬脆化裂纹、低塑性脆化裂纹特征：（1）产生的温度：通常在Ms点以下。（2）产生的钢种：低、中合金钢，中、高碳钢。（3）产生的部位：主要产生在HAZ：如焊趾、焊根、焊道下。（图3）（4）产生的时间：几乎都延迟一段时间。（5）金相特征：产生部位有淬硬组织；裂纹走向既有沿晶，又有穿晶。（6）断口特征：仍有金属光泽；对于低合金钢，启裂处和扩展处：为准解理，或沿晶，或两者混合断口；终断区：多为韧窝断口。

以14MnMoNbB为例（图4）3、再热裂纹

特征：（1）产生的时间：焊后不产生，在焊后热处理或高温加热过程中产生。（2）产生的温度：对于低合金钢、耐热钢，敏感再加热温度为500～700℃。（3）产生的钢种：含有Cr、Mo、V、Ti、Nb的低合金钢和含有Nb的奥氏体不锈钢。（4）产生的部位：HAZ的过热区，走向大体与熔合线平行。（图5）（5）应力特征：焊后焊接接头存在较大的残余应力或应力集中。（6）金相特征：都是沿晶界开裂。（图6）（7）断口特征：几乎都是冰糖状的沿晶断口。（图7）4、层状撕裂

特征：（1）产生的部位：HAZ或靠近接头的母材。（2）产生的钢种：不受钢种限制，主要与钢材中有带状分布的硫化物、硅酸盐夹杂物等有关。（3）结构和接头特征：易在厚板结构和T型、十字型或角接接头中产生。（图8）（4）应力特征：有Z向拉伸应力作用。（5）金相特征：宏观：多呈阶梯状开裂；（图9）微观：裂纹走向既有穿晶也有沿晶。（6）断口特征：宏观：呈木纹状；（图10）微观：平台处多为准解理断口，可见到片状、条状或球状夹杂物；剪切壁处多为剪切韧窝断口，也会出现准解理断口。（图11）（三）焊接气孔引起的失效

主要可分为两大类气孔：第一类气孔：主要有氢气孔、氮气孔(溶解度突变)

特征：大多数分布在焊缝表面。氢气孔较分散，断面呈螺钉状；（图12）氮气孔一般是成堆出现。第二类气孔：主要有CO气孔（反应）特征：大多数分布在焊缝内部，沿一次结晶组织的晶界分布，呈条虫状。（图13）（四）焊接夹杂引起的失效

主要有三类夹杂物：

1、氧化物夹杂如SiO2、MnO、FeO、TiO2等，一般多以硅酸盐的形式存在，呈圆球形或点粒状。（图14）

2、氮化物夹杂主要是Fe4N,一般以针状分布在晶粒上或贯穿边界。（图15）

3、硫化物夹杂主要是FeS、MnS，在焊缝中多呈球状。MnS呈灰色，当MnS内溶解FeS时颜色会变淡。焊接接头脆化能导致焊件开裂或断裂。使接头产生脆化的原因有：晶粒严重长大——“粗晶脆化”产生脆化组织——“组织脆化”析出碳化物，氮化物等——“析出脆化”析出石墨——“石墨脆化”产生热应变时效——“热应变时效脆化”特征：

1、产生破坏时，接头承受的应力远远小于设计应力。

2、破坏在突然之间发生。（五）焊接接头脆化引起的失效3、呈现脆化断口：

（1）解理（CF）断口特征平坦型解理台阶（图16）河流花样（图17）舌形花样（图18）扇形花样（图19）（2）准解理（QC）断口（图20）特征：河流花样短而弯曲，支流少，解理面小，且周围有较多的撕裂棱。（3）沿晶（IC）断口

特征：宏观：表面平齐，呈白亮色颗粒状。微观：呈晶粒状的多面体，冰糖状。（图21）

[典型的延性断口]：宏观：纤维状，颜色发暗；微观：韧窝（DR）断口。（图22）韧窝特征：断口布满大小不等的圆形或椭圆形的凹坑，凹坑中常有夹杂物或第二相粒子。三、焊件失效分析的基本思路和程序（一）基本思路

1.根据失效的背景资料和现场情况初步确定失效类型。

2.选择试验项目进行检验。（二）分析程序

1.调查研究、收集资料

(1)调查失效现场

(2)调查失效背景

（二）分析程序

2.选取试样3.失效分析实验

(1)化学分析试验：包括体积成分分析和微区成分分析试验。

(2)宏观分析试验：包括宏观金相分析和宏观断口分析试验。

(3)微观分析试验：包括微观金相分析和微观断口分析试验。

(4)材料性能试验。

(5)模拟试验。

4.作出结论、制定措施。

四、焊件失效分析试验的方法（一）化学分析试验

1、体积成分分析试验目的：了解焊缝或母材成分是否符合要求。（1）化学分析法取样：用电钻取样（图23）分析：利用仪器通过化学分析进行测定。（2）物理分析法有光谱法、磁法、热电法等。这些方法都需要精密仪器，具有快速、灵敏的特点。例如，吸收光谱仪。

2、微区成分分析试验目的：测定夹杂物、第二相、晶界等微小范围的元素含量或分布。测试仪器有：电子探针、离子探针、俄歇电子谱仪等。（二）金相分析试验

1宏观金相分析试验首先对试样进行磨光、抛光和浸蚀，然后用50倍以下的放大镜或光学显微镜进行观察。目的：观察失效（裂纹）形态的全貌。

2微观金相分析试验用50倍以上的光学显微镜进行观察。目的：分析失效局部的组织、显微缺陷等。（三）断口分析试验

1、宏观断口分析试验用肉眼或放大镜（50倍以下）对试样的断口直接进行观察。目的：观察断口的全貌，判断断裂的性质，确定裂纹源的位置以及判断裂纹的扩展方向等。例如：

2、微观断口分析试验在扫描电子显微镜或透射电子显微镜下观察。目的：对断口表面作更深入、更细致的观察，进一步确认断裂的性质。（四）材料性能试验

包括力学性能试验、焊接裂纹敏感性试验等。目的：复验材料的某项性能是否符合要求。例如：由于材料层状撕裂的敏感性与其Z向拉伸抗力有关，因此常进行材料的Z向拉伸试验，通过测定Z向断面收缩率来判断层状撕裂的敏感性：当ψz>25%时，抗层状撕裂性能优