第9章成型缺陷的產(chǎn)生機(jī)理和防止措施

1、2022-6-3012022-6-302形成形成 材料成形材料成形(鑄造、焊接時鑄造、焊接時)的溫度改變，導(dǎo)致的溫度改變，導(dǎo)致“熱脹熱脹冷縮冷縮”，而且非均勻的溫度變化（如局部的加熱、，而且非均勻的溫度變化（如局部的加熱、冷卻）導(dǎo)致金屬內(nèi)部不均勻的冷卻）導(dǎo)致金屬內(nèi)部不均勻的“熱脹冷縮熱脹冷縮”從而產(chǎn)從而產(chǎn)生應(yīng)力。稱為生應(yīng)力。稱為內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力（internal stress)。 工件冷卻后仍保留在工件內(nèi)部的應(yīng)力稱為工件冷卻后仍保留在工件內(nèi)部的應(yīng)力稱為殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力（residual stress）。）。加熱冷卻或受力過程中存在的應(yīng)力稱為瞬時應(yīng)力加熱冷卻或受力過程中存在的應(yīng)力稱為瞬時應(yīng)力（ins

2、tantaneous stress)。亦即動態(tài)應(yīng)力。亦即動態(tài)應(yīng)力。 另外，固態(tài)相變也有膨脹或收縮現(xiàn)象，局部的相變另外，固態(tài)相變也有膨脹或收縮現(xiàn)象，局部的相變因此也能造成內(nèi)應(yīng)力。因此也能造成內(nèi)應(yīng)力。2022-6-3033-1 內(nèi)應(yīng)力1、內(nèi)應(yīng)力的形成、內(nèi)應(yīng)力的形成（1）熱應(yīng)力（）熱應(yīng)力（thermal stress）不均勻加熱冷卻過程產(chǎn)生的應(yīng)力稱為熱不均勻加熱冷卻過程產(chǎn)生的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。應(yīng)力。 （因材料的彈（因材料的彈-塑性）塑性）桿中心加熱，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力（瞬時應(yīng)力）桿中心加熱，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力（瞬時應(yīng)力）當(dāng)加熱變形在彈性范圍內(nèi)，冷卻后，殘當(dāng)加熱變形在彈性范圍內(nèi)，冷卻后，殘余應(yīng)力余應(yīng)力=0當(dāng)加熱變形超過

3、彈性范圍外（塑性），當(dāng)加熱變形超過彈性范圍外（塑性），冷卻后，殘余應(yīng)變，殘余應(yīng)力冷卻后，殘余應(yīng)變，殘余應(yīng)力加熱時加熱時2022-6-304焊件內(nèi)應(yīng)力焊件內(nèi)應(yīng)力 在不均勻溫度場的作用下，被加熱到較高溫度的區(qū)域的在不均勻溫度場的作用下，被加熱到較高溫度的區(qū)域的金屬受到壓縮應(yīng)力，當(dāng)此應(yīng)力達(dá)到材料在該溫度下的屈服限金屬受到壓縮應(yīng)力，當(dāng)此應(yīng)力達(dá)到材料在該溫度下的屈服限時，局部區(qū)域內(nèi)受到壓縮塑性變形，由于塑性變形不可逆，時，局部區(qū)域內(nèi)受到壓縮塑性變形，由于塑性變形不可逆，此區(qū)域的材料在冷卻之后即產(chǎn)生收縮，而周圍未受熱的金屬此區(qū)域的材料在冷卻之后即產(chǎn)生收縮，而周圍未受熱的金屬會限制它的收縮，于是在壓縮塑性變

4、形的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，會限制它的收縮，于是在壓縮塑性變形的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，而周圍區(qū)域產(chǎn)生壓應(yīng)力。這種內(nèi)部應(yīng)力在溫度均勻后殘存在而周圍區(qū)域產(chǎn)生壓應(yīng)力。這種內(nèi)部應(yīng)力在溫度均勻后殘存在物體內(nèi)部，固稱為殘余應(yīng)力。物體內(nèi)部，固稱為殘余應(yīng)力。 殘余應(yīng)力是在沒有外力的條件下，平衡于內(nèi)部的應(yīng)力。殘余應(yīng)力是在沒有外力的條件下，平衡于內(nèi)部的應(yīng)力。 由焊接引起的殘余應(yīng)力稱為焊接殘余應(yīng)力。由焊接引起的殘余應(yīng)力稱為焊接殘余應(yīng)力。 2022-6-305板中心堆焊焊接殘余應(yīng)力形成2022-6-306鑄件的內(nèi)應(yīng)力鑄件的內(nèi)應(yīng)力冷卻過程中各部分冷卻速度不一致造成的.2022-6-307相變應(yīng)力（相變應(yīng)力（transformat

5、ion stress） 固態(tài)相變金屬因各區(qū)域發(fā)生相變的類型不同、時間不同或程度不同，由于不同相組織的比容不同而導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力。低碳鋼合金鋼2022-6-3082.焊接殘余應(yīng)力的分布縱向殘余應(yīng)力分布2022-6-309板邊堆焊焊接殘余應(yīng)力形成2022-6-30103.減少焊接殘余應(yīng)力的措施工藝措施、 結(jié)構(gòu)設(shè)計2022-6-3011 3.2殘余應(yīng)力的消除 熱處理、機(jī)械振動法、機(jī)械加載機(jī)械拉伸法機(jī)械拉伸法2022-6-30123-2.焊接變形 殘余應(yīng)力的存在必然導(dǎo)致原工件形狀的少量改變，也稱為殘余變形（工件冷卻下來后遺留一下來的變形）。整體變形局部變形2022-6-3013縱向橫向收縮變形縱向橫向收縮

6、變形2022-6-3014 撓撓曲曲變變形形2022-6-3015 角變形角變形2022-6-3016 波浪變形（失穩(wěn)變形）波浪變形（失穩(wěn)變形）2022-6-3017影響因素及防止措施影響因素：材料熱物理性能：膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性工藝因素：焊接熱輸入、焊接順序防止方法：結(jié)構(gòu)設(shè)計；工藝：反變形、剛性固定、預(yù)留收縮量、等2022-6-3018焊接變形的矯正（straightening） 機(jī)械矯正 火焰矯正2022-6-30193-3 3-3 裂紋裂紋裂紋是一種可能造成制造產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)失效的裂紋是一種可能造成制造產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)失效的突發(fā)性破壞的材料缺陷，往往是一種最危險突發(fā)性破壞的材料缺陷，往往是一種最危險而

7、又常見的缺陷。而又常見的缺陷。種類：按形成機(jī)理分。主要有熱、冷、再熱種類：按形成機(jī)理分。主要有熱、冷、再熱（reheat）、應(yīng)力腐蝕（）、應(yīng)力腐蝕（stress-corrosion）裂紋和層狀撕裂（裂紋和層狀撕裂（lamellar tearing）2022-6-3020 3.3.1 焊接熱裂紋（hot cracking）主要指凝固裂紋(solidification cracking) 焊接熱裂紋的形成原因： 焊接熱裂紋是一種高溫沿晶斷裂而形成的裂紋。焊縫凝固過程中，在枝晶間存在低熔共晶的薄層，此時材料的塑性變形能力很低，在冷卻過程中不可避免的產(chǎn)生收縮應(yīng)變，當(dāng)收縮應(yīng)變大于材料此時的塑性應(yīng)變的能力

8、時，即產(chǎn)生焊接熱裂紋。 焊縫在凝固過程中所出現(xiàn)的晶間塑性應(yīng)變能力的應(yīng)變區(qū)間叫做脆性溫度區(qū)，不同材料有不同的脆性溫度區(qū)，溫度區(qū)越大，產(chǎn)生熱裂紋的危險性越大。2022-6-3021（1）特征1）僅發(fā)生于WM或鑄件中2）一次結(jié)晶（原奧氏體）晶界分布的晶間裂紋3）斷口形貌（fracture appearance）a. 高溫特征：液膜（liquid film）表面，液態(tài)分離時自由凝固表面特征，有時有氧化b. 偏析特征 微區(qū)元素分析表明有S、P等富集2022-6-3022(2)形成機(jī)理2022-6-3023(3) 焊接熱裂紋的影響因素 a.硫的偏析 b.焊縫的組織 c.焊縫冷卻的速度 （層間溫度、熱輸入量

9、） d.焊縫的形狀 （成形系數(shù)） e.拘束度2022-6-30243.3.2 3.3.2 焊接冷裂紋焊接冷裂紋 cold cracking材料焊接冷卻到室溫附近產(chǎn)生的一種裂紋，它材料焊接冷卻到室溫附近產(chǎn)生的一種裂紋，它是焊接缺陷中最普遍而又極危險的一種。是焊接缺陷中最普遍而又極危險的一種。 主要討論其中主要的一種：延遲裂紋主要討論其中主要的一種：延遲裂紋（delayed cracking）或稱之為氫致裂紋）或稱之為氫致裂紋（hydrogen-induced cracking, HIC）2022-6-3025（1）冷裂紋的基本特征）冷裂紋的基本特征1）產(chǎn)生冷裂紋的材料：）產(chǎn)生冷裂紋的材料：中、高

10、碳鋼及合金鋼、鈦及鈦合金，中、高碳鋼及合金鋼、鈦及鈦合金，BCC材料有材料有淬硬淬硬M相變材料。相變材料。其它其它FCC金屬材料如金屬材料如Al、Ni、Cu、奧氏體鋼一般沒有。、奧氏體鋼一般沒有。2）產(chǎn)生部位：多數(shù)在）產(chǎn)生部位：多數(shù)在HAZ粗晶區(qū)；也有少量在多層焊焊縫的中上部；易在焊粗晶區(qū)；也有少量在多層焊焊縫的中上部；易在焊趾（趾（toe ）和焊根）和焊根(root )；焊道下（；焊道下（under-bead ） 3）發(fā)生時間：具有延遲特性，焊后數(shù)分鐘至數(shù)日后出現(xiàn)（危險性大?。?；）發(fā)生時間：具有延遲特性，焊后數(shù)分鐘至數(shù)日后出現(xiàn)（危險性大?。?；4）發(fā)生溫度：）發(fā)生溫度： TMs； 5）裂紋形貌

11、：端部尖銳，斷口無氧化、液膜特征；裂紋呈沿晶）裂紋形貌：端部尖銳，斷口無氧化、液膜特征；裂紋呈沿晶（intergranular）和穿晶）和穿晶(transgranular)混合擴(kuò)展；混合擴(kuò)展；2022-6-30262022-6-3027（2）形成機(jī)理）形成機(jī)理冷裂紋形成的三大因素：淬硬（冷裂紋形成的三大因素：淬硬（M）組織）組織 氫氫 拘束應(yīng)力拘束應(yīng)力前兩項是冶金條件（內(nèi)因），后一項是力學(xué)條件（外前兩項是冶金條件（內(nèi)因），后一項是力學(xué)條件（外因）。因）。2022-6-30281）馬氏體淬硬組織：）馬氏體淬硬組織：焊后冷卻形成的焊后冷卻形成的M越多，越多，M中含碳量越高，淬中含碳量越高，淬硬傾向

12、越大，冷裂傾向越強。硬傾向越大，冷裂傾向越強。a. M淬硬組織的脆性，尤其是其對氫脆的敏感淬硬組織的脆性，尤其是其對氫脆的敏感性。性。b. M組織高內(nèi)應(yīng)力條件：組織高內(nèi)應(yīng)力條件：M硬度高，相變溫度硬度高，相變溫度低，組織應(yīng)力高低，組織應(yīng)力高c. M淬硬組織缺陷多：晶格缺陷、位錯淬硬組織缺陷多：晶格缺陷、位錯2022-6-30292）氫的作用）氫的作用氫是導(dǎo)致冷裂紋特別是其延遲特征的主要因素。氫脆氫是導(dǎo)致冷裂紋特別是其延遲特征的主要因素。氫脆（hydrogen embrittlement）a. 氫的擴(kuò)散及氫的擴(kuò)散及HAZ聚積聚積氫在金屬中的溶解在不同組織中的溶解在不同組織中的擴(kuò)散在致裂過程中的動

13、態(tài)行為:2022-6-3030在致裂過程中的動態(tài)行為:焊縫與母材成分的不同焊縫與母材成分的不同,組織轉(zhuǎn)變先后時間不組織轉(zhuǎn)變先后時間不同同熔合線附近氫的富聚熔合線附近氫的富聚2022-6-30312022-6-3032b. 延遲特征機(jī)理:應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散模型(stress-induce diffusion model)試樣在受力過程中,會在裂紋敏感的部位形成有應(yīng)力集中的三向應(yīng)力區(qū),氫就極力向這個區(qū)域擴(kuò)散,應(yīng)力也隨之提高,當(dāng)些部位氫的濃度達(dá)到臨界值時,就會發(fā)生啟裂和相應(yīng)擴(kuò)展。其后，氫又不斷向新的三向應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散?！把舆t”性：因氫的擴(kuò)散聚集是time-dependent phnomenon2022-6-3

14、0333）拘束應(yīng)力 restraint stresses冷裂紋與任何斷裂過程的產(chǎn)生一樣，總是受到外力或內(nèi)應(yīng)力的作用才得以產(chǎn)生的。a. 熱應(yīng)力b. 相變組織應(yīng)力c. 結(jié)構(gòu)拘束應(yīng)力2022-6-3034拘束度的概念R=Eh/L單位長度焊縫上單位長度焊縫上,對接接頭根部收縮單位長度間對接接頭根部收縮單位長度間隙所受的力隙所受的力.單位單位:N/mm.mm與板厚成正比與板厚成正比,與拘束長度成反比與拘束長度成反比,與材料的楊與材料的楊氏模量有關(guān)氏模量有關(guān).與其它焊接條件無關(guān)與其它焊接條件無關(guān).2022-6-3035焊接冷裂紋的控制a.控制組織硬化控制組織硬化,降低降低HAZ組織淬硬程度：組織淬硬程度：

15、 選擇鋼種后，根據(jù)化學(xué)成分決定Pcm或者CE，評定其冷裂傾向。MnMo+Cr+vNi+Cu=C+6515EC2022-6-3036調(diào)整焊接條件，以獲得適宜的焊接熱循環(huán)曲線，常用T8/5作為判據(jù)，當(dāng)選定焊接方法及焊接線能量之后，不能隨意變化，以防止過熱脆化。 為了獲得需要的T8/5，而又不能改變焊接方法和焊接線能量時，可以采用預(yù)熱或后熱預(yù)熱或后熱的方法。 低合金高強鋼對接接頭的預(yù)熱： bw焊縫金屬抗拉強度（kgf/mm2)； w焊層厚度； HD焊縫金屬擴(kuò)散氫的含量。 不同的焊接材料不同焊接方式有不同的預(yù)熱公式2022-6-3037b.限制擴(kuò)散氫：限制擴(kuò)散氫： 采用采用低氫或超低氫焊接低氫或超低氫

16、焊接材料；材料； 焊接材料必須按規(guī)定進(jìn)行烘干；在使用四個小時以后，必焊接材料必須按規(guī)定進(jìn)行烘干；在使用四個小時以后，必須再進(jìn)行烘干；須再進(jìn)行烘干； 工件表面必須防止有水分；工件表面必須防止有水分； 預(yù)熱可以減少擴(kuò)散氫；預(yù)熱可以減少擴(kuò)散氫； “緊急緊急”后熱后熱，焊后盡快加熱，一般加熱到，焊后盡快加熱，一般加熱到250。C,保溫保溫1224個小時，擴(kuò)散氫大部分逸出；個小時，擴(kuò)散氫大部分逸出； 采用采用奧氏體焊條奧氏體焊條，可以固溶較多的氫，限制氫擴(kuò)散運動，可以固溶較多的氫，限制氫擴(kuò)散運動，有利于減少冷裂傾向，一般可以不預(yù)熱，要注意焊縫熱裂有利于減少冷裂傾向，一般可以不預(yù)熱，要注意焊縫熱裂紋傾向。

17、紋傾向。c.控制拘束應(yīng)力：控制拘束應(yīng)力： 制定施焊工藝時，應(yīng)力求減少拘束度，調(diào)整焊接循序，使制定施焊工藝時，應(yīng)力求減少拘束度，調(diào)整焊接循序，使焊縫有收縮的余地。焊縫有收縮的余地。預(yù)熱或后熱；低強度匹配預(yù)熱或后熱；低強度匹配2022-6-30382022-6-3039焊接再熱裂紋（焊接再熱裂紋（Reheat Cracking） 再熱裂紋是指焊后對焊接接頭再次加熱（焊后熱處理或高溫服役）時所產(chǎn)生的開裂現(xiàn)象。1.3.1焊接再熱裂紋的形成條件 再熱裂紋的特征是沿晶開裂； 形成條件： a.存在殘余應(yīng)力； b.存在粗大的晶粒組織； c.化學(xué)成分中有沉淀強化的元素，易導(dǎo)致晶界弱化； 在焊后熱處理時，應(yīng)力松弛引起的松弛應(yīng)變超過材料的蠕