第三周焊接裂紋PPT課件

1、1第一節(jié)概述第二節(jié)焊接熱裂紋第三節(jié)焊接冷裂紋第四節(jié)再熱裂紋第五節(jié)層狀撕裂第六節(jié)應力腐蝕裂紋第七節(jié)焊接裂紋綜合分析和判斷焊接裂紋焊接裂紋第1頁/共110頁2概述概述 一、危害性一、危害性 焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋輕者需要返修，浪費人力、物力、時間，重者造成焊接結(jié)構(gòu)報廢，無法修補。更嚴重者造成事故、人身傷亡。如1969年有一艘5萬噸的礦石運輸船在太平洋上航行時，斷裂成兩段而沉沒，在壓力容器破壞事故中，有很多都是由于焊接裂紋造成。因此，解決研究焊接裂紋已成為當前主要課題。第2頁/共110頁3二、種類二、種類各種不同類型的裂紋各種不同類型的裂紋焊縫中縱向裂紋焊縫中縱向裂紋 焊縫上橫向裂紋焊縫上橫向裂紋熱影響區(qū)

2、縱向裂紋熱影響區(qū)縱向裂紋熱影響區(qū)橫向裂紋熱影響區(qū)橫向裂紋火口（弧坑）裂紋火口（弧坑）裂紋焊道下裂紋焊道下裂紋焊縫內(nèi)部晶間裂紋焊縫內(nèi)部晶間裂紋焊趾裂紋焊趾裂紋熱影響區(qū)焊縫熱影響區(qū)焊縫 貫穿裂紋貫穿裂紋焊縫根部裂紋焊縫根部裂紋第3頁/共110頁4 分類分類: : 1 1、 按裂紋分布的走向分按裂紋分布的走向分 縱向裂紋2 2、 按裂紋發(fā)生部位分按裂紋發(fā)生部位分 橫向裂紋 縱向裂紋 星形（弧形裂紋）焊縫金屬中裂紋 熱影響區(qū)中裂紋焊縫熱影響區(qū)貫穿裂紋第4頁/共110頁53 3 、按產(chǎn)生本質(zhì)分類按產(chǎn)生本質(zhì)分類1 1）熱裂紋）熱裂紋 （高溫裂紋）（高溫裂紋）產(chǎn)生：產(chǎn)生：熱裂紋(高溫裂紋)高溫下產(chǎn)生存在部位

3、存在部位：焊縫為主,熱影響區(qū)特征：特征：宏觀看, 沿焊縫的軸向成縱向分布 （連續(xù)或繼續(xù)）也可看到縫橫向裂紋， 裂口均有較明顯的氧化色彩，表面無 光澤，微觀看，沿晶粒邊界（包括亞 晶界）分布，屬于沿晶斷裂性質(zhì)。第5頁/共110頁6熱裂紋分類熱裂紋分類a.a.結(jié)晶裂紋結(jié)晶裂紋：在凝固的過程-結(jié)晶過程中產(chǎn)生b.b.高溫液化裂紋：高溫液化裂紋：在高溫下產(chǎn)生,鋼材或多層焊的層間金屬含有低熔點化合物經(jīng)重新溶化，在收縮應力作用下,沿奧氏體晶間發(fā)生開裂c.c.多邊化裂紋：多邊化裂紋：產(chǎn)生溫度低于固相線溫度,存在晶格缺陷(位錯和空位),物理化學的不均勻性,在應力作用下,缺陷聚集形成多邊化邊界,使強度塑性下降,沿

4、多邊化邊界開裂,多發(fā)生純金屬或單相奧氏體合金焊縫。第6頁/共110頁7HAZ液化裂紋晶間裂紋多邊化裂紋第7頁/共110頁82 2）再熱裂紋（消除應力處理裂紋）再熱裂紋（消除應力處理裂紋） 由于重新加熱（熱處理）過程中產(chǎn)生稱再熱裂紋消除應力處理裂紋。3 3）冷裂紋）冷裂紋產(chǎn)生溫度：產(chǎn)生溫度：溫度區(qū)間在+100-75之間 存在部位存在部位: :多在熱影響區(qū),但也有發(fā)生在焊縫。特征（斷口）：特征（斷口）：宏觀斷口具有發(fā)亮的金屬光澤的脆性斷裂特征。微觀看：微觀看：晶間斷裂，但也可穿晶（晶內(nèi)）斷裂，也可晶間和穿晶混合斷裂。第8頁/共110頁9冷裂紋分類：冷裂紋分類：a.a.延遲裂紋：延遲裂紋：特點不在焊

5、后立即出現(xiàn)，有一段孕育期產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象稱延遲裂紋。b. b.淬硬脆化裂紋（淬火裂紋）淬硬脆化裂紋（淬火裂紋）：淬硬傾向大的組織易產(chǎn)生這種裂紋（與氫含量關系不大）。 c. c.低塑性脆化裂紋：低塑性脆化裂紋：在比較低的溫度下，由于收縮應變超過了材料本身的塑性儲備產(chǎn)生的裂紋稱低塑性脆化裂紋。第9頁/共110頁10延遲裂紋第10頁/共110頁11 4 4）層狀撕裂）層狀撕裂： 由于軋制母材內(nèi)部存在有分層的夾雜物和焊接時產(chǎn)生的垂直軋制方向的應力，使熱影響區(qū)附近地方產(chǎn)生呈“臺階”狀的層狀斷裂并有穿晶發(fā)展 第11頁/共110頁12 5 5）應力腐蝕裂紋：）應力腐蝕裂紋： 金屬材料在某些特定介質(zhì)和拉應力共同作

6、用下所產(chǎn)生的延遲破裂現(xiàn)象，稱應力腐蝕裂紋。 第12頁/共110頁13三、熱裂紋與冷裂紋的基本特點三、熱裂紋與冷裂紋的基本特點 裂紋裂紋 熱裂紋熱裂紋 冷裂紋冷裂紋 產(chǎn)生溫度 高溫下產(chǎn)生 低溫下產(chǎn)生 宏觀特征沿焊縫的軸向成縱向分布,也有橫向分布，裂口均有氧化色彩表面無光澤 斷口具有發(fā)亮的金屬光澤微觀特征沿晶粒邊界分布，屬于沿晶斷裂性質(zhì) 晶間斷裂，也有穿晶內(nèi)斷裂，也有晶間和穿晶混合斷裂 產(chǎn)生部位 焊縫、熱影響區(qū) 熱影響區(qū)、焊縫第13頁/共110頁14焊接熱裂紋焊接熱裂紋 一、結(jié)晶裂紋一、結(jié)晶裂紋 1 1、 產(chǎn)生機理產(chǎn)生機理 1 1）產(chǎn)生部位）產(chǎn)生部位：結(jié)晶裂紋大部分都沿焊縫樹枝狀結(jié)晶的交界處發(fā)生和

7、發(fā)展的，常見沿焊縫中心長度方向開裂即縱向裂紋，有時焊縫內(nèi)部兩個樹枝狀晶體之間。對于低碳鋼、奧氏體不銹鋼、鋁合金、結(jié)晶裂紋主要發(fā)生在焊縫上某些高強鋼，含雜質(zhì)較多的鋼種，除發(fā)生在焊縫之處，還出現(xiàn)在近縫區(qū)上。第14頁/共110頁15結(jié)結(jié)晶晶裂裂紋紋第15頁/共110頁162）熔池各階段產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向）熔池各階段產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向 在焊縫金屬凝固結(jié)晶的后期，低熔點共晶物被排擠在晶界，形成一種所謂的“液態(tài)薄膜”，在焊接拉應力作用下，就可能在這薄弱地帶開裂，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。 產(chǎn)生結(jié)晶裂紋原因：液態(tài)薄膜 拉伸應力 液態(tài)薄膜根本原因 拉伸應力必要條件第16頁/共110頁17固液階段：固液階段：這一區(qū)也稱為“

8、脆性溫度區(qū)”即圖上a、b之間的溫度范圍固相階段：固相階段：也叫完全凝固階段以低碳鋼焊接為例可把熔池的結(jié)晶分為以下三個階段液固階段：（液固階段：（1 1區(qū)）區(qū)） Tb稱為脆性溫度區(qū)，在比區(qū)間易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，雜質(zhì)較少的金屬, Tb小產(chǎn)生裂紋的可能性也小，雜質(zhì)多的金屬Tb大，產(chǎn)生裂紋的傾向也大 第17頁/共110頁183 3）產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件）產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件 如圖縱座標表示溫度，橫坐標表示由拉伸應力所產(chǎn)生的變形（e）和金屬的塑性（P），脆性溫度區(qū)的范圍用TB表示。上限是固液溫度開始下限固相線附近，或低于固相線一段溫度。在脆性溫度區(qū)內(nèi)焊縫的塑性用P表示,是溫度的函數(shù)， ,當在某一瞬時溫度時有一個

9、最小的塑性值（Pmin)（出現(xiàn)液態(tài)薄膜時）受拉伸應力所產(chǎn)生的變形用e表示，也是溫度的函數(shù) .)(TP第18頁/共110頁19 按曲線（3）變化時，e超過了焊縫塑性的最低值， 產(chǎn)生裂紋 如果拉伸應力所產(chǎn)生的變形隨溫度如果拉伸應力所產(chǎn)生的變形隨溫度T T按按曲線（曲線（1 1）變化，）變化，e e隨隨T T按曲線（按曲線（1 1）變化。）變化。產(chǎn)生了產(chǎn)生了e e變形量，但焊縫仍有變形量，但焊縫仍有e es s的塑性的塑性儲備量即儲備量即e es s00，不產(chǎn)生熱裂紋，不產(chǎn)生熱裂紋 當按曲線2變化時,此時由拉伸應力所產(chǎn)生的應變,恰好等于焊縫的最低塑性值,即處于臨界狀態(tài).0mineeP0minseeP

10、0e第19頁/共110頁20 在脆性溫度區(qū)焊縫所承受的拉伸應力所產(chǎn)生的變形大于焊縫金屬所具有的塑性時產(chǎn)生裂紋即 ,高溫階段晶間塑性變形能力不足以承受當時所發(fā)生塑性應變量。產(chǎn)生裂紋的條件產(chǎn)生裂紋的條件0se第20頁/共110頁21脆性溫度區(qū)（脆性溫度區(qū)（T TB B）內(nèi)金屬的塑性，）內(nèi)金屬的塑性，T TB B內(nèi)內(nèi)金屬的塑性越小，越易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。金屬的塑性越小，越易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。結(jié)論： 脆性溫度區(qū)間大小, TB大，拉應力作用時間長，產(chǎn)生裂紋可能性大，決定于焊縫化學成分，雜質(zhì)性質(zhì)與分布，晶粒大小。TB內(nèi)隨溫度降低變形的增長率（拉伸應力的增長率）,臨應變率CST越大,則表示材料的熱裂紋敏感性越小,越

11、不易產(chǎn)生裂紋。第21頁/共110頁22二、焊接結(jié)晶裂紋的影響因素二、焊接結(jié)晶裂紋的影響因素1 1）、冶金因素）、冶金因素 結(jié)晶溫度區(qū)間結(jié)晶溫度區(qū)間：合金狀態(tài)圖脆性溫度區(qū)的大小隨著該合金的整個結(jié)晶溫度區(qū)間的增加而增加 如圖 S點、結(jié)晶區(qū)間最大、裂紋傾向最大、共晶點、裂紋傾向最小。實線平衡條件，虛線不平衡結(jié)晶。第22頁/共110頁23合金元素合金元素 a)a)、S S、P P增加結(jié)晶裂紋傾向增加結(jié)晶裂紋傾向 i)S、P增加結(jié)晶溫度區(qū)間,脆性溫度區(qū)間TB裂紋 ii)S、P產(chǎn)生低溫共晶,使結(jié)晶過程中極易形成 液態(tài)薄膜,因而顯著增大裂紋傾向iii)P、S引起成分偏析.實驗可知P、S偏析系數(shù)K越大,偏析的

12、程度越嚴重.偏析可能在鋼的局部地方形成低熔點共晶產(chǎn)生裂紋。 第23頁/共110頁24b)、C i)、C0.16% Mn/S無效無效,加劇加劇P有害作有害作用用 裂裂 iii)、C0.51% 初生相初生相初生相初生相 S、P在小相中溶解度低，析在小相中溶解度低，析出出S、P集富在晶界上，裂紋集富在晶界上，裂紋 Mn具有脫S作用 其中Mn熔點高，早期結(jié)晶星球狀分布，抗裂 MnSFeSMn 含碳量C0.016% P對形成結(jié)晶裂紋的作用超 過了S，Mn無意義 c)、Mn注意：第24頁/共110頁25d)d)、SiSi 硅是硅是 相形成元素，利于消除結(jié)晶相形成元素，利于消除結(jié)晶裂紋裂紋 , ,相中相中S

13、 S、P P溶解度大緣故，溶解度大緣故，Si0.4% Si0.4% 易形成低熔點的硅酸鹽夾雜易形成低熔點的硅酸鹽夾雜使裂使裂對硫的親合力大，形成高熔點的硫化物，消除結(jié)晶裂紋有良好的作用。e)、鈦Ti 鋯和稀土元素第25頁/共110頁26凝固時界面張力凝固時界面張力 雜質(zhì)的低熔點共晶所造成的液態(tài)薄膜是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的重要因素，若將晶界的液態(tài)薄膜改變?yōu)榍驙畹男螒B(tài)，抗裂性 第26頁/共110頁272cos2SLSSSSSL固體晶粒與殘液之間的表面張力固體晶粒之間的表面張力固相與液相的接觸角當 越小 越小 =0.5 =0 殘液在固體晶粒以薄膜存在裂=180殘液以球狀形態(tài)分布裂 SLSLSS/固相晶粒之間

14、和固液之間表面張力固相晶粒之間和固液之間表面張力的平衡關系為的平衡關系為第27頁/共110頁28一次結(jié)晶組織形態(tài)及組織對結(jié)晶一次結(jié)晶組織形態(tài)及組織對結(jié)晶裂紋的影響裂紋的影響晶粒大?。壕Я４执罅鸭y的傾向初生相： 相裂 裂 線膨脹系數(shù)小于 ， 相變應力裂第28頁/共110頁292)2)、力的因素、力的因素 在焊接時脆性溫度區(qū)內(nèi)金屬的強度要小在脆性溫度區(qū)內(nèi)金屬所承受的拉伸應力。 產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的充分條件。mm01m在脆性溫度區(qū)內(nèi)金屬的強度在脆性溫度內(nèi)金屬所承受的拉伸應力金屬的強度決定于晶內(nèi)強度晶間強度第29頁/共110頁30T T 時， 發(fā)生斷裂晶間斷裂100T01T =稱金屬的等強溫度0T0T10

15、若焊縫所受拉伸應力為 隨溫度變化始終不超過 ，則不會產(chǎn)生結(jié)晶裂紋 產(chǎn)生結(jié)晶裂紋2001120產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件是冶金因素和力共同作 用，二者缺一不可第30頁/共110頁31三、防止結(jié)晶裂紋的措施三、防止結(jié)晶裂紋的措施 1 1）、冶金方面）、冶金方面 控制焊縫中有害雜質(zhì)的含量，限制S、P、C含量S、P0.03-0.04焊絲C0.12% (低碳鋼)焊接高合金鋼，焊絲超低碳焊絲改善焊縫的一次結(jié)晶細化晶粒，加入Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al第31頁/共110頁322)、工藝方面（減少拉應力）、工藝方面（減少拉應力） ()應變率 , E 、 應變率 （）接頭預熱型式 適當增加線能量（q/v）接頭型式合

16、理（）妥善安排焊接次序焊次序 te0Tte第32頁/共110頁33四、近縫區(qū)液化裂紋四、近縫區(qū)液化裂紋 1 1、 產(chǎn)生部位及材料產(chǎn)生部位及材料 通常產(chǎn)生在母材的熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，也可產(chǎn)生在多層焊縫的焊層之間液化裂紋屬于晶間開裂性質(zhì)，裂紋斷口呈典型的晶間開裂特征。 2 2、 產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因 1）、近縫區(qū)晶界處存在低熔點雜質(zhì) 2）、近縫區(qū)存在晶間液膜(低熔點共晶體) 第33頁/共110頁34液化裂紋液化裂紋第34頁/共110頁353 3、影響因素、影響因素 1）、化學成分2）、工藝因素 4 4、防止措施、防止措施 1）、控制S、P等雜質(zhì)含量如采用電渣精煉的方法，去除合金中的雜質(zhì)。2）、焊接工藝上

17、，采用小線能量，避免近縫區(qū)晶粒粗化第35頁/共110頁36五、多邊化裂紋五、多邊化裂紋 1 1、形成條件（形成機理）、形成條件（形成機理） 多邊化現(xiàn)象，焊縫金屬中存在很多高密度的位錯在高溫和應力的共同作用下，位錯極易運動，在不同平面上運動的刃型位錯遇到障礙時可能發(fā)生攀移，由原來的水平組合變成后來的垂直組合，即形成“位錯壁”就是多邊化現(xiàn)象。 第36頁/共110頁372 2、特點、特點 1）、發(fā)生部位與材料 發(fā)生在焊縫中，常見于單相奧氏鋼或純金屬的焊縫金屬 裂紋走向：以任意方向貫穿樹枝狀結(jié)晶2）、常常伴隨有再結(jié)晶晶粒出現(xiàn)在裂紋附近，多邊化裂紋總是遲于再結(jié)晶3）、裂紋多發(fā)生在重復受熱金屬中（多層焊）

18、4）、斷口呈現(xiàn)出高溫低塑性斷裂第37頁/共110頁383、影響因素、影響因素 形成多邊化過程所需時間： t完成多邊化過程所需時間常數(shù)u多邊化過程的激活能，決定于合金成分和應力狀態(tài)R氣體常數(shù)（8.4J/molk）T溫度（K）從公式中可以看出，完成多邊化過程所需時間與H、T有關 kTvett00t第38頁/共110頁391 1）合金成分的影響）合金成分的影響 在焊縫中加入一些提高多邊化過程激活能的元素，可有效阻止多邊化過程2 2）應力狀態(tài)的影響）應力狀態(tài)的影響 有應力存在，使多邊化過程加速 3 3）溫度的影響）溫度的影響 在形成多邊化過程的溫度越高時間越短第39頁/共110頁40焊接冷裂紋焊接冷裂

19、紋 1. 1.產(chǎn)生溫度產(chǎn)生溫度: : Ms點附近或200300以下溫度區(qū)間2.2.產(chǎn)生的鋼種和部位產(chǎn)生的鋼種和部位: : 發(fā)生在高碳鋼、中碳鋼、低合金、中合金高強鋼，熱影響區(qū)合金元素多的超高強鋼、Ti合金發(fā)生在焊縫3.3.裂紋的走向：裂紋的走向： 沿晶、穿晶4.4.產(chǎn)生時間產(chǎn)生時間: : 可焊后立即出現(xiàn)，也有的幾小時，幾天或更長時間一、冷裂紋的一般特征一、冷裂紋的一般特征 第40頁/共110頁41二、冷裂紋種類二、冷裂紋種類延遲裂紋是冷裂紋中一種最普遍的形態(tài)，它不是焊后出現(xiàn)，因此危害性更大 延遲裂紋三種形態(tài)延遲裂紋三種形態(tài) ：1）、焊趾裂紋縫邊裂紋 2）、焊道下裂紋 3）、根部裂紋第41頁/共

20、110頁42三、延遲裂紋的機理三、延遲裂紋的機理 高強鋼焊接時產(chǎn)生延遲裂紋的原因主高強鋼焊接時產(chǎn)生延遲裂紋的原因主要是：要是： 鋼種的淬硬傾向；鋼種的淬硬傾向； 焊接接頭的含氫量及其分布；焊接接頭的含氫量及其分布； 焊接接頭的拘束應力。焊接接頭的拘束應力。 延遲裂紋的開裂過程存在這兩個不同的延遲裂紋的開裂過程存在這兩個不同的過程：即裂紋的起源和裂紋的擴展，過程：即裂紋的起源和裂紋的擴展， 擴展到一定情況下，發(fā)生斷裂。擴展到一定情況下，發(fā)生斷裂。第42頁/共110頁43F+PAMA裂第43頁/共110頁44第44頁/共110頁451 1、鋼種的淬硬傾向、鋼種的淬硬傾向 焊接接頭的淬硬傾向主要決定

21、于鋼種的化學成分，其次是焊接工藝，結(jié)構(gòu)板厚及冷卻條件。鋼種淬硬傾向越大，越容易產(chǎn)生裂紋，其原因為 ：1）、形成脆硬的馬氏體 2）、淬硬產(chǎn)生晶格的缺陷 第45頁/共110頁462 2、氫的作用、氫的作用 氫是引起高強鋼焊接時產(chǎn)生延遲裂紋的重要因素之一,氫具有延遲作用,由氫引起的延遲裂紋稱為氫致裂紋也稱氫誘發(fā)裂紋.氫致裂紋Hydrogoundacpd Crack1）、氫在焊縫金屬中的溶解與擴散 2）、金屬組織對氫的擴散影響3）、熱影響區(qū)氫致裂紋產(chǎn)生 氫在致裂過程中 動態(tài)行為4）、氫致裂紋開裂機理 第46頁/共110頁47殘余擴散氫HR1004exp8HR10020whMHH0-凝固時焊縫的初始含氫

22、量（ml/100g)hw-焊縫的平均厚度（mm）M-氫的熱擴散因子（mm2）)(10)1373. 22 . 4(100)(25150200cmtDMtt日本天津大學)(10)47.14551. 3298. 2543. 27 .183(23300150250200mmMtttt第47頁/共110頁48氫致裂紋目前有幾種說法氫致裂紋目前有幾種說法氫的應力擴散理論 空穴氫壓脆化說 氫吸附脆化說 第48頁/共110頁49裂縫頂端三向應力區(qū)HHHHHHH擴散氫裂紋擴展H2HHHHHHH新的三向應力區(qū)氫致裂紋擴展過程第49頁/共110頁50 3 3、焊接接頭的拘束應力、焊接接頭的拘束應力 1 1）、焊接接

23、頭的拘束應力）、焊接接頭的拘束應力 a、熱應力與母材焊條金屬的熱物理性質(zhì)及剛 度有關 b、組織應力相變、組織比容不同而產(chǎn)生 c、附加應力結(jié)構(gòu)自身拘束條件所造成的應力包括結(jié)構(gòu)的形式、焊縫位置、施焊的順序 第50頁/共110頁51定義：相當于為使焊接接頭根部間隙彈性位移單位長度時，單位長度焊縫所受的力的大小。即定義為拘束度。符號：R 2）、拘束度：）、拘束度：表示母材對反作用力的剛表示母材對反作用力的剛度度第51頁/共110頁52公式： E母材金屬的彈性模量 板厚 l焊縫長度 L拘束距離 LELLLlFlFRbb1cHtgToTmmmR m為拘束應力轉(zhuǎn)換系數(shù)第52頁/共110頁533）、產(chǎn)生裂紋的

24、臨界拘束應力）、產(chǎn)生裂紋的臨界拘束應力 臨界拘束應力：開始產(chǎn)生裂紋時的拘束應力日本IL委員會插銷式裂紋試驗所確定的=(86.3-211Pcm-28.21logH+1+2.73+800-500+9.7)9.8稱為合金元素的裂紋敏感系數(shù)（%）H 擴散氫含量100mol/gt800500在接條件下，熔合區(qū)附近1350冷卻到800500的冷卻時（S）t100從熔合區(qū)附近1350100實際冷卻時間crcrcmP100310 tBVMoNirCCuMoSiCPCM51015602020第53頁/共110頁5460060HPPCMC21000500mmNbCPNP4000060RHPPCMWBVMoNirC

25、CuMoSiCPCM51015602020合金元素的裂紋敏感指數(shù)（反映了淬硬傾向）四、影響因素及防止措施四、影響因素及防止措施 1)、鋼種化學成分的影響1、影響因素、影響因素 冷裂紋判據(jù) 應用于、 裂紋敏感指數(shù)上述公式是經(jīng)驗式,有一定的使用范圍適用范圍可參考 CMP第54頁/共110頁55對接接頭500 R=71K1arctg(0.017 )( /400)2 不產(chǎn)生裂紋, R 產(chǎn)生裂紋不產(chǎn)生裂紋的臨界拘束度（通過實驗方法測）R可通過計算或?qū)崪y求得 只適用單向拉伸RRcrcrRcrR2）、拘束應力的影響）、拘束應力的影響第55頁/共110頁56對于三維 彈塑性有限元計算修正系數(shù)RR1122/2/

26、2sinh/sinh/sin81mwwBmBmBmhmhmm-拉板厚度（mm）Sinh-雙曲線正弦函數(shù) hw-試驗焊縫厚度（mm）B-試板寬度，即拘束距離（mm）第56頁/共110頁573)3)、氫的有害影響、氫的有害影響4) 4)、工藝影響、工藝影響 線能量 預熱溫度焊后后熱多層焊第57頁/共110頁58綜合上述各影響因素，提出了預測高強鋼焊接接頭延遲裂紋傾向的判據(jù)公式。產(chǎn)生裂紋在一定焊接條件下，第一層焊縫焊后冷卻到100剛剛不出現(xiàn)裂紋的時間臨界冷卻時間.實際焊接條件下，熔合區(qū)附近1350100的冷卻時間A.n實驗常數(shù) 裂紋敏感系數(shù)若越高，則 越大，越易產(chǎn)生裂紋crt100ttcrcrt10

27、0tHMPNPnHMcrPAt)28. 0(第58頁/共110頁592 2、防止措施、防止措施 1 1）、冶金措施）、冶金措施 （低碳微量多合金） H選用低氫焊接材料，低氫焊接方法如CO2焊 控制氫的來源，烘干焊條消理焊件焊絲加入某些合金元素，提高塑性采用奧氏體組織的焊條焊接某些淬硬傾向較大的低合金高強鋼，避免冷裂紋 第59頁/共110頁602 2）、工藝措施）、工藝措施選擇合適的焊接線能量q、V冷、t100減少裂 但有晶粒粗大現(xiàn)象預熱 冷卻速度H外逸后熱H消氫處理350保溫12小時，使氫外逸對于需要較高預熱溫度的中碳鋼，高碳鋼及中碳調(diào)質(zhì)高強鋼，如果由于形狀復雜或需要在結(jié)構(gòu)內(nèi)部施焊等因素要避免

28、高溫預熱時，采用后熱并配合低溫的預熱特別見效。第60頁/共110頁613 3）、拘束應力）、拘束應力防止焊縫分布密集，消除應力集中部位如缺口，坡口形狀對稱適當?shù)念A熱、后熱、緩冷本節(jié)結(jié)束第61頁/共110頁62再熱裂紋再熱裂紋 定義定義：焊后再加熱,消除應力退火,高溫工作時500600過程中產(chǎn)生裂紋稱再熱裂紋。一、再熱裂紋的特征一、再熱裂紋的特征 1、熱裂紋產(chǎn)生部位：、熱裂紋產(chǎn)生部位：近縫區(qū)的粗晶區(qū)，止裂于細晶區(qū)，沿晶間開裂，裂紋大部分晶間斷裂，沿熔合線方向在奧氏體粗晶粒邊界發(fā)展第62頁/共110頁63再熱裂紋第63頁/共110頁642 2、 敏感的溫度范圍敏感的溫度范圍: :一般在一般在500

29、500700700低于低于500500或高于或高于700,700,再加熱不易出現(xiàn)再再加熱不易出現(xiàn)再熱裂紋熱裂紋3 3、有大量的內(nèi)應力存在，及應集中、有大量的內(nèi)應力存在，及應集中: :在在大拘束度的厚件或應力集中部位易產(chǎn)生大拘束度的厚件或應力集中部位易產(chǎn)生再熱裂紋再熱裂紋4 4、易產(chǎn)生在具有沉淀強化作用的鋼材、易產(chǎn)生在具有沉淀強化作用的鋼材中中: : 晶界滑動晶界滑動微裂微裂擴展擴展裂紋裂紋第64頁/共110頁65二、產(chǎn)生機理二、產(chǎn)生機理 1 1、一般條件、一般條件 e ee ec c 產(chǎn)生裂紋產(chǎn)生裂紋 e產(chǎn)生裂紋的晶界微觀局部的實際塑性變形量 ec：產(chǎn)生裂紋的晶界微觀局部的最大塑性形變能力 e

30、實際塑性應變：接頭的殘余應力經(jīng)再加熱產(chǎn)生應力松馳而引起，與接頭的拘束度殘余應力，應力集中有關。 第65頁/共110頁662 2、再熱裂紋產(chǎn)生機理、再熱裂紋產(chǎn)生機理 1 1）、晶界雜質(zhì)析集弱化說）、晶界雜質(zhì)析集弱化說 晶界析集P、S、 硼化物沿晶析集如果產(chǎn)生再熱裂紋的塑性變形量為ec，可以下式表示:ccRTLeEEc/)1 (第66頁/共110頁672 2）、二次沉淀理論晶內(nèi)沉淀強化）、二次沉淀理論晶內(nèi)沉淀強化 具有沉淀強化的元素 焊接高溫時過a熱區(qū)合金元素全部溶入A中，A長大.焊后冷卻速度快，合金元素以過飽和形式溶入在F中，滲碳體，一般出現(xiàn)在位錯、空位、缺陷等處。enrbriFMCMWVNZT

31、、0焊后再加熱時（500-700）第67頁/共110頁683）、高溫蠕變理論）、高溫蠕變理論 蠕變定義：蠕變定義：金屬在長時間的恒溫、恒應力作用下，即使應力小于屈服強度，也會緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。特征：特征： 材料內(nèi)的應力小于材料的屈服應力 與溫度有關T蠕變速度 溫度升高持久強度下降 高溫下，晶界強度低于晶內(nèi)強度第68頁/共110頁691.楔形開裂楔形開裂drEcbPs2)(23dEbPsp)1 ()(222應力臨界應力：2.空位聚集而產(chǎn)生的空位聚集而產(chǎn)生的“空位開裂空位開裂”23327256AW最小能量第69頁/共110頁70低合金鋼產(chǎn)生再熱裂紋臨界應力關系式低合金鋼產(chǎn)生再熱裂紋

32、臨界應力關系式VMoCrCCCSRSRcr115 . 0328 . 9)7 . 425. 47 .20(cr產(chǎn)生再熱裂紋臨界應力產(chǎn)生再熱裂紋臨界應力(N/mm2)如結(jié)構(gòu)實際拘束應力為時，則不裂開裂crcr第70頁/共110頁71三三 、影響因素、影響因素 1. 化學成分對再熱裂紋的影響 2晶粒度對再熱裂紋的影響 3焊接接頭不同部位和不同組織對再熱裂紋的影響 ( (一一) ) 、冶金因素、冶金因素 第71頁/共110頁72( (二二) ) 工藝措施工藝措施 1 1、 預熱及后熱預熱及后熱 預熱裂200450，后熱可降低預熱溫度 2 2、線能量的作用、線能量的作用 E適當增加，減少過熱區(qū)硬度，裂紋

33、減小3 3、低強焊縫應用、低強焊縫應用 減少近縫區(qū)塑變的集中程度，有利于降低再熱裂紋產(chǎn)生傾向 4、 降低殘余應力和避免應力集中降低殘余應力和避免應力集中 第72頁/共110頁73層狀撕裂層狀撕裂 1 1、產(chǎn)生的部位和形狀、產(chǎn)生的部位和形狀 宏觀形狀宏觀形狀：在外觀上具有階梯狀的形式，由基本上平行于軋制方向表面的平臺與大體上垂直于平臺的剪切壁所組成。 微觀形狀：微觀形狀：掃描電鏡觀察低倍下：斷口表面呈典型的木紋狀，是層層平臺在不同高度分布的結(jié)果 部位：部位：母材或熱影響區(qū) 一、特征及危害性 第73頁/共110頁742、產(chǎn)生在厚板結(jié)構(gòu)中、產(chǎn)生在厚板結(jié)構(gòu)中 十字接頭,丁字接頭,角接頭，平臺局部地區(qū)有

34、硅酸鹽或氧化物夾雜物 第74頁/共110頁75 種類種類 依產(chǎn)生部位分依產(chǎn)生部位分: : 第一類第一類 是在焊接熱影響區(qū)焊趾或焊根是在焊接熱影響區(qū)焊趾或焊根 冷裂紋誘發(fā)而形成層狀措裂；冷裂紋誘發(fā)而形成層狀措裂； 第二類第二類 熱影響區(qū)沿夾雜開裂；熱影響區(qū)沿夾雜開裂； 第三類第三類 遠離熱影響區(qū)母材中沿夾雜開裂遠離熱影響區(qū)母材中沿夾雜開裂 MnSMnS片狀夾雜較多片狀夾雜較多。第75頁/共110頁76二、形成機理及影響因素二、形成機理及影響因素 (一一)、層狀撕裂的形成過程、層狀撕裂的形成過程1、厚板結(jié)構(gòu)中焊接時剛性拘束條件下，產(chǎn)生較大的Z向應力和應變，當應變達到超過材料的形變能力之后，夾雜物與

35、金屬基體之間弱結(jié)合面發(fā)生脫離，形成顯微裂紋，裂紋尖端的缺口效應造成應力、應變的集中，迫使裂紋沿自身所處的平面擴展，把同一平面而相鄰的一群夾雜物連成一平，形成所謂的“平面”。 第76頁/共110頁772 2、與此同時相鄰近的兩個平臺之間的裂、與此同時相鄰近的兩個平臺之間的裂紋尖端處，在應力應變影響下在剪切應紋尖端處，在應力應變影響下在剪切應力作用下發(fā)生剪切斷裂，形成力作用下發(fā)生剪切斷裂，形成“剪切壁剪切壁“，這些平臺和剪切壁在一起，構(gòu)成層，這些平臺和剪切壁在一起，構(gòu)成層狀撕裂所持有的階梯形狀狀撕裂所持有的階梯形狀。第77頁/共110頁78(二二)、影響因素、影響因素 1、非金屬夾雜物的種類2、焊

36、接Z向應力 3、母材性能 熱影響區(qū)產(chǎn)生淬硬組織、塑性下降; 加熱150350出現(xiàn)應變時效，塑性、韌性下降4、氫的作用 氫集聚發(fā)生在夾雜物和基體界面上的氫脆引起層狀撕裂第78頁/共110頁79四、防止措施四、防止措施 ( (一一) )選擇母材選擇母材 1 精煉鋼 2、控制夾雜物 冶煉降低雜質(zhì)，脫S加Ti、Zr或稀土元素，促使夾雜物破碎、球化(成本高) ( (二二) )設計和工藝措施設計和工藝措施1、 改變接頭形式、降低焊接應力2、 應盡量避免單側(cè)焊縫等;3、 應盡量避免承載焊縫4、 預熱及后熱5、 加軟焊道第79頁/共110頁80接頭形式在受力最小時即可防止層狀撕接頭形式在受力最小時即可防止層狀

37、撕裂，通過開坡口來減輕鋼板裂，通過開坡口來減輕鋼板Z Z向受承受的向受承受的應力和應變。應力和應變。本節(jié)結(jié)束第80頁/共110頁81應力腐蝕撕裂應力腐蝕撕裂(SCC)(SCC) 應力腐蝕裂紋應力腐蝕裂紋：金屬材料在某些特定介質(zhì)和拉應力共同作用下所產(chǎn)生的延遲破裂現(xiàn)象稱應力腐蝕裂紋。 應力腐蝕裂紋已成為工業(yè)中特點是石油工業(yè)中最突出的問題，日本19651975十年間化工設備破壞事故統(tǒng)計有50%屬于應力腐蝕開裂，應力腐蝕裂紋造成危害極大。第81頁/共110頁82一、應力腐蝕裂紋特征一、應力腐蝕裂紋特征 1 1、形貌：、形貌：外觀：無明顯的均勻腐蝕痕跡，呈龜裂形式斷斷續(xù)續(xù)。從橫斷面來看：猶如枯干的樹木的

38、根須，由表面向縱深方向往里發(fā)展，裂口深寬比大，細長而帶有分支是其典型的特點。從斷口來看：仍保持金屬光澤為典型脆性斷口第82頁/共110頁83應力腐蝕裂紋應力腐蝕裂紋第83頁/共110頁842、材質(zhì)與介質(zhì)的匹配、材質(zhì)與介質(zhì)的匹配 純金屬不產(chǎn)生應力腐蝕裂紋，凡是合金即使含有微量元素的合金，在特定的腐蝕環(huán)境中都有一定的應力腐蝕開裂傾向。但并不是說，任何合金在任何介質(zhì)中都產(chǎn)生應力腐蝕開裂，一定的材料只在某一定的腐蝕環(huán)境中才產(chǎn)生應力腐蝕裂紋。 應力腐蝕開裂溫度:易產(chǎn)生在100300之間第84頁/共110頁853、應力腐蝕開裂的臨界應力、應力腐蝕開裂的臨界應力 拉應力的存在是產(chǎn)生應力腐蝕開裂的先決條件之一

39、，造成應力腐蝕開裂的應力主要是殘余應力。臨界應力 引起應力腐蝕裂紋開裂的臨界應力，與腐蝕介質(zhì)，金屬材料的強度級別有關。thsth第85頁/共110頁86二、應力腐蝕裂紋的形成條件二、應力腐蝕裂紋的形成條件 形成機理形成機理 （一）、電化學應力裂機理（一）、電化學應力裂機理從電化學考慮，把應力腐蝕裂紋分為兩大類 一類為應力陽極溶解開裂 簡記APC另一類應力陰極氫脆開裂 簡記HEC形成三要素：1） 材質(zhì) 2) 腐蝕介質(zhì) 3) 臨界拉應力第86頁/共110頁87HEC和和APC應力腐蝕過程應力腐蝕過程第87頁/共110頁88（二）、機械破裂應力腐蝕開裂機（二）、機械破裂應力腐蝕開裂機理理 1 1）、

40、孕育期）、孕育期 應力作用下將產(chǎn)生不同程度的塑性變形，這種塑性變形將會產(chǎn)生“滑移臺階”，形成局部性的最初腐蝕裂口，造成拉應力集中，局部產(chǎn)生滑移階梯、導致保護膜破壞。第88頁/共110頁89第89頁/共110頁902 2）、發(fā)展階段）、發(fā)展階段 腐蝕裂口在拉應力與介質(zhì)的共同作用下（物理作用及化學作用）沿著垂直拉應方向縱深發(fā)展，呈枯干樹枝或根須，且逐步出現(xiàn)分支，若應力因素占優(yōu)勢，將是某一裂口優(yōu)先發(fā)展，腐蝕因素占優(yōu)勢則可能同時幾條裂口平行地發(fā)展3 3）、潰裂階段發(fā)展的最快的裂紋的最終崩潰性的發(fā)展，是拉應力局部越來越大的累積結(jié)果，最終破壞是力的因素起主要作用。 第90頁/共110頁91裂紋擴展的幾種說法裂紋擴展的幾種說法 1. 1.陽極相的沉淀陽極相的沉淀 2.2.腐蝕介質(zhì)的吸附腐蝕介質(zhì)的吸附3.3.陰極氫化反應陰極氫化反應 4.4.機械化學效應機械化學效應 5.5.隧洞腐蝕隧洞腐蝕 第91頁/共110頁92三、應力腐蝕的預防措施三、應力腐蝕的預防措施 （一）、結(jié)構(gòu)設計（一）、結(jié)構(gòu)設計 1、合理選材母材 選材必須有足夠的實驗數(shù)據(jù)，不能只看材料牌號，不能單純考慮強度級別，因同一強度等級，合金系統(tǒng)不同，抗應力腐蝕開裂的傾向很大。 2、避免高應力區(qū)第92頁/共110頁93 （二）、施工制造（二）、施工制造 1、 合理選擇焊材 了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的的工作條件，熟悉介質(zhì)的