焊接冶金原理07焊接裂紋0課件3

1、第七章 焊接裂紋7.1焊接熱裂紋7.2焊接冷裂紋7.3其他焊接裂紋7.3其他形式的裂紋7.3.1再熱裂紋1、 再熱裂紋的主要特征 有某些沉淀強(qiáng)化合金元素的鋼材的厚板焊接結(jié)構(gòu)在進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理或在一定溫度下服役的過程中，在焊接熱影響區(qū)粗晶部位形成的裂紋稱為再熱裂紋。由于這種裂紋是在再次加熱過程中產(chǎn)生的，故稱為“再熱裂紋”，又稱“消除應(yīng)力處理裂紋”(Stress Relief Cracking)簡(jiǎn)稱SR裂紋。1）從材料來看，含有一定沉淀強(qiáng)化元素的金屬材料，如低合金高強(qiáng)鋼、珠光體耐熱鋼、奧氏體不銹鋼和某些鎳基合金具有高的再熱裂紋敏感性，碳鋼和固溶強(qiáng)化的金屬材料一般不形成再熱裂紋。2）從形成的條件來

2、看，裂紋的形成發(fā)生在“再熱”（熱處理或一定溫度下服役）過程中，且焊接區(qū)有較大的殘余應(yīng)力并伴有應(yīng)力集中。對(duì)確定的材料有明顯的再熱裂紋敏感溫度區(qū)間：對(duì)沉淀強(qiáng)化的低合金高強(qiáng)鋼，敏感溫度約為500-700；對(duì)奧氏體不銹鋼和高溫合金，敏感溫度約在700-900之間。3）從裂紋位置和擴(kuò)展路徑來看，再熱裂紋均發(fā)生在焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，裂紋沿熔合線母材一側(cè)奧氏體粗晶晶界擴(kuò)展（呈沿晶開裂），焊縫和熱影響區(qū)的細(xì)晶區(qū)不產(chǎn)生再熱裂紋。(a)(b)焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)再熱裂紋：(a)P23管材鋼厚板焊多層多道焊條電弧焊 ；(b) Cr-Mo-V鋼埋弧焊Inconel 738LC超合金鎢極氬弧焊（GTA）熱影響區(qū)再熱裂紋

3、2、再熱裂紋的形成機(jī)理再熱裂紋的形成是近縫區(qū)粗晶區(qū)應(yīng)力集中部位的晶界變形量超過其塑性變形能力而導(dǎo)致的，即：為晶界局部的實(shí)際應(yīng)變， 為產(chǎn)生裂紋的晶界局部塑性變形能力晶界雜質(zhì)析集弱化說晶內(nèi)二次強(qiáng)化說蠕變斷裂說再熱裂紋形成機(jī)理晶界雜質(zhì)析集弱化說“再熱”（熱處理或一定溫度下服役）過程中雜質(zhì)元素向晶界的析集而導(dǎo)致的晶界脆化是再熱裂紋形成的根本原因。按照晶界雜質(zhì)析集弱化說，再熱裂紋的形成應(yīng)該由雜質(zhì)元素向晶界的擴(kuò)散析集過程所控制，因此，其過程應(yīng)該具有熱激活的特征，且與雜質(zhì)原子的擴(kuò)散激活能有關(guān)。HT80B鋼在500-700的再熱裂紋開裂時(shí)間與溫度的關(guān)系：對(duì)于一些低合金高強(qiáng)鋼，P、S、Sb、Sn、As等元素在5

4、00-600熱處理過程中向晶界析集，大大降低了晶界的塑性變形能力，導(dǎo)致晶界脆化晶內(nèi)二次強(qiáng)化說 沉淀強(qiáng)化元素的沉淀相（如碳化物、氮化物等）在焊接快速冷卻過程中未能充分析出，在“再熱”（熱處理或一定溫度下服役）過程中，這些沉淀相在晶內(nèi)析出而使晶內(nèi)發(fā)生二次強(qiáng)化，從而使應(yīng)力松弛所產(chǎn)生的應(yīng)變集中于晶界，當(dāng)晶界塑性不足時(shí)就形成再熱裂紋。 只有那些含有一定沉淀強(qiáng)化元素的鋼和合金具有較高的再熱裂紋敏感性，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強(qiáng)鋼、珠光體耐熱鋼、奧氏體不銹鋼，以及Ni3(Al,Ti)（ 相）沉淀強(qiáng)化的鎳基合金等蠕變斷裂說再熱裂紋的形成需要溫度和應(yīng)力兩個(gè)條

5、件，而在這兩個(gè)條件作用下材料將發(fā)生蠕變變形（應(yīng)力松弛）和損傷過程，因此，蠕變斷裂理論認(rèn)為，再熱裂紋的形成可以用蠕變斷裂來解釋。“楔形開裂”模型(Wedge Mode)在蠕變條件下，晶界相互滑動(dòng)是應(yīng)力松弛的主要方式之一，在三晶粒交界處由于晶界的相互滑動(dòng)容易形成應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過晶界的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)便形成裂紋?！翱瘴痪奂_裂”模型(Cavitation Mode)空位在一定溫度和應(yīng)力梯度作用下，趨于向與拉應(yīng)力垂直的晶界聚集，當(dāng)晶界空位聚集到一定數(shù)量時(shí)，晶界結(jié)合被削弱，在拉應(yīng)力作用下形成裂紋。3、再熱裂紋的影響因素與預(yù)防措施成分因素 成分因素（母材成分）主要是指合金元素的種類及含量，對(duì)近縫區(qū)粗晶區(qū)的晶

6、粒長(zhǎng)大行為及塑性有決定性的影響，是影響再熱裂紋敏感性的內(nèi)因。 對(duì)于低合金高強(qiáng)鋼，C、Cr、Mo、V等被認(rèn)為是增加再熱裂紋敏感性的元素。判據(jù)： 鋼中的雜質(zhì)，如As、Sn、P、S等，尤其是Sb對(duì)再熱裂紋敏感性有顯著影響。工藝因素對(duì)一些晶粒長(zhǎng)大比較敏感的鋼種，增大線能量或采用大線能量的焊接方法將增加再熱裂紋敏感性，而對(duì)一些淬硬傾向較大的鋼種，增大線能量或采用大線能量的焊接方法反而有利于減小再熱裂紋傾向。預(yù)熱和后熱可以降低熱影響區(qū)的淬硬傾向、減小焊接殘余應(yīng)力，是預(yù)防再熱裂紋的有效措施之一。應(yīng)力因素合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接施工次序?qū)p小殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中至關(guān)重要；焊接缺陷，如焊縫咬邊、未焊透等往往容易形

7、成應(yīng)力集中，增加再熱裂紋的傾向。采用低強(qiáng)匹配焊接材料，增加焊縫金屬的塑性，降低再熱裂紋敏感溫度區(qū)間焊縫金屬強(qiáng)度，有利于降低近縫區(qū)的應(yīng)力，對(duì)預(yù)防再熱裂紋有利。7.3.2層狀撕裂1、層狀撕裂的形成和主要特征在海洋工程、核反應(yīng)堆和潛艇建造等大型高強(qiáng)鋼厚壁（厚板）焊接結(jié)構(gòu)中，有時(shí)出現(xiàn)一種平行于軋制方向的階梯形裂紋，即所謂層狀撕裂（Lamellar Tear）。屬于低溫開裂，一般低合金鋼撕裂的溫度不超過400。主要原因是鋼中夾雜物軋制過程中變形形成平行于軋制方向的層狀分布(特別是層狀硫化物，氧化物)；當(dāng)垂直于軋制方向即板厚方向（稱為Z向）存在拉應(yīng)力且達(dá)到或超過夾雜物與基體金屬之間的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，將在夾雜物

8、與基體金屬之間形成微裂紋，微裂紋在應(yīng)力持續(xù)作用下持續(xù)擴(kuò)展便形成宏觀裂紋甚至斷裂焊接層狀撕裂主要有以下特征：1）從材料來看，層狀撕裂與鋼的強(qiáng)度級(jí)別關(guān)系不大，主要與鋼中的夾雜物含量及分布形態(tài)有關(guān)。有時(shí)鋁合金焊接結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)層狀撕裂。2）從裂紋的擴(kuò)展形態(tài)和斷口特征來看，層狀撕裂多呈現(xiàn)由一系列平行于軋制方向的“平臺(tái)”和連接這些“平臺(tái)”的“剪切壁”構(gòu)成的階梯形態(tài)，其中的“平臺(tái)”由裂紋沿片層狀?yuàn)A雜擴(kuò)展而形成，而“剪切壁”由相鄰“平臺(tái)”之間在剪切力作用下發(fā)生剪切斷裂而形成。正是由于層狀撕裂的啟裂和擴(kuò)展與夾雜的密切關(guān)系，在“平臺(tái)”上通?？梢园l(fā)現(xiàn)不同類型的非金屬夾雜低合金鋼焊條電弧焊的層狀撕裂層狀撕裂形成示意圖：

9、(a)階梯形態(tài)形成示意圖；(b)“平臺(tái)”上的夾雜物3）從接頭形式來看，層狀撕裂常出現(xiàn)在T形接頭、角接頭和十字接頭中。顯而易見，這些接頭形式容易形成垂直于軋制方向（Z向）的拉應(yīng)力。4）從裂紋位置來看，層狀撕裂多出現(xiàn)在熱影響區(qū)（最常見），但有時(shí)也出現(xiàn)在遠(yuǎn)離熱影響區(qū)的母材中，后一種情況多般是因?yàn)殇摬闹泻休^多的片層狀MnS夾雜，這也充分證明了層狀撕裂的屬性。有時(shí)，在焊趾或焊根處也會(huì)因冷裂紋而誘發(fā)形成層狀撕裂典型接頭的層狀撕裂：(a)T形接頭；(b) T形接頭（深熔）；(c)角接頭；(d)對(duì)接接頭2、層狀撕裂的影響因素1）非金屬夾雜物當(dāng)沿軋制方向有較多的片層狀MnS時(shí)，裂紋的擴(kuò)展多呈現(xiàn)階梯形態(tài)（最常見

10、）；當(dāng)鋼中夾雜以硅酸鹽為主時(shí)，層狀撕裂常呈平面形態(tài)；當(dāng)鋼中夾雜以Al2O3為主時(shí)呈不規(guī)則階梯狀。2）拘束應(yīng)力拘束應(yīng)力是形成層狀撕裂的外因，對(duì)層狀撕裂的形成起關(guān)鍵作用的是Z向（垂直于軋制方向）拉應(yīng)力。3）氫的影響在熱影響區(qū)焊趾或焊根等應(yīng)力集中部位，有時(shí)會(huì)因?yàn)槔淞鸭y誘發(fā)層狀撕裂，氫也會(huì)成為層狀撕裂的一個(gè)重要影響因素。但是，氫對(duì)層狀撕裂的影響并不是一個(gè)普遍現(xiàn)象。3、層狀撕裂的控制措施材料方面，盡可能選擇抗層狀撕裂的母材，通過嚴(yán)格硫的控制，或添加Ti、Zr、Mo和稀土元素等，改變夾雜物的形狀和分布（細(xì)化、球化等），改善鋼的Z向性能和抗層狀撕裂性能。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，應(yīng)盡可能減小Z向應(yīng)力和應(yīng)力集中。對(duì)角接

11、頭應(yīng)盡可能在承受Z向應(yīng)力的母材一側(cè)開坡口。焊接工藝方面，為防止由于冷裂紋而誘發(fā)層狀撕裂，可采用預(yù)防冷裂紋的措施，如降低氫含量、適當(dāng)提高預(yù)熱溫度、控制層間溫度等；對(duì)T形接頭，可以考慮在承受Z向應(yīng)力的母材（橫板）上預(yù)先堆焊一層強(qiáng)度較低而塑性較好的熔敷金屬，以減小橫板的Z向應(yīng)力，增加主焊道近縫區(qū)的塑性。預(yù)防層狀撕裂的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)：(a)角接頭坡口設(shè)計(jì)；(b)T形接頭焊接工藝設(shè)計(jì)7.3.3應(yīng)力腐蝕裂紋 金屬材料在某種特定的介質(zhì)和一定的應(yīng)力共同作用下引起的延遲開裂現(xiàn)象稱為應(yīng)力腐蝕，期間形成的裂紋稱為應(yīng)力腐蝕裂紋（Stress Corrosion Cracking，簡(jiǎn)稱SCC）。 雖然已有研究表明，壓應(yīng)

12、力條件下也可以發(fā)生應(yīng)力腐蝕，但常見的、危害最大的還是拉應(yīng)力條件下的應(yīng)力腐蝕裂紋。由于焊接接頭（焊縫和熱影響區(qū)）在組織結(jié)構(gòu)上的特殊性，如晶粒粗大、成分的非均勻性等，相同條件下焊接接頭往往比一般金屬材料具有更高的應(yīng)力腐蝕裂紋敏感性。隨著石油化工工業(yè)的發(fā)展，在腐蝕介質(zhì)中工作的焊接結(jié)構(gòu)，如容器、管道等經(jīng)常發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞而造成結(jié)構(gòu)提前失效。1、應(yīng)力腐蝕裂紋的形成金屬在介質(zhì)中的腐蝕是電化學(xué)過程，作為陽極的金屬溶解，同時(shí)釋放出電子，這些電子被陰極過程所吸收，從而導(dǎo)致金屬不斷溶解。陰極過程可以是析氫反應(yīng)，也可以是吸氧反應(yīng)或其他吸收電子的過程，即：陽極：金屬溶解陰極：析氫腐蝕吸氧腐蝕無論析氫還是吸氧都是陰極去

13、極化的過程，有利于增強(qiáng)腐蝕過程。當(dāng)陰極發(fā)生析氫過程時(shí)稱為氫去極化腐蝕或析氫腐蝕，當(dāng)陰極發(fā)生吸氧過程時(shí)稱為氧去極化腐蝕或吸氧腐蝕根據(jù)電化學(xué)應(yīng)力腐蝕開裂理論，應(yīng)力腐蝕裂紋的形成與發(fā)展本質(zhì)上受控于應(yīng)力作用下的電化學(xué)腐蝕過程，按宏觀機(jī)理可以有兩種類型：一種是陽極的快速溶解導(dǎo)致的形核和擴(kuò)展，稱為“陽極溶解開裂”（Active Pass Corrosion，簡(jiǎn)稱APC）；另一種是陰極析出的氫擴(kuò)散進(jìn)入裂紋尖端，導(dǎo)致裂紋尖端氫脆而擴(kuò)展，稱為“陰極氫脆開裂”（Hydrogen Embrittlement Cracking，簡(jiǎn)稱HEC）。應(yīng)力腐蝕機(jī)理示意圖：(a)陽極溶解開裂(APC)；(b)陰極氫脆開裂(HEC

14、)當(dāng)應(yīng)力腐蝕的陰極過程為吸氧反應(yīng)，或者雖然陰極是析氫反應(yīng)，但進(jìn)入金屬內(nèi)部的氫濃度低于材料氫致開裂的門檻值，裂紋的形核和擴(kuò)展由陽極溶解過程所控制時(shí)，形成陽極溶解型應(yīng)力腐蝕裂紋（APC），意味著裂紋尖端處于陽極區(qū)，被稱作“應(yīng)力-陽極開裂；當(dāng)陽極金屬溶解所對(duì)應(yīng)的陰極過程為析氫反應(yīng)，且原子氫可以快速擴(kuò)散進(jìn)入金屬內(nèi)部，裂紋的擴(kuò)展受陰極氫的行為控制時(shí)，形成陰極氫脆型應(yīng)力腐蝕裂紋（HEC），裂紋尖端處于陰極區(qū)，被稱作“應(yīng)力-陰極開裂。陰極析氫對(duì)陽極溶解開裂的影響示意圖陽極溶解過程和陰極析氫過程是同時(shí)發(fā)生的，而且往往相互影響，不能絕對(duì)區(qū)分。一個(gè)應(yīng)力腐蝕過程是APC還是HEC，主要看哪種過程是控制機(jī)制（起主導(dǎo)作

15、用）。如果體系的陰極過程為析氫反應(yīng)且裂紋尖端為陽極，則發(fā)生陽極溶解的同時(shí)，材料的表面及裂紋兩側(cè)的陰極區(qū)氫離子獲得電子而析出的氫原子也可以在應(yīng)力梯度作用下向裂紋尖端（陽極區(qū)）擴(kuò)散，使裂紋尖端脆化而擴(kuò)展，從而進(jìn)一步加速裂紋的擴(kuò)展。2、 應(yīng)力腐蝕裂紋的主要特征1）分布與形態(tài)應(yīng)力腐蝕裂紋既可出現(xiàn)在焊縫，也可出現(xiàn)在熱影響區(qū)。從外觀上看形態(tài)各異，常見網(wǎng)狀和龜裂狀；分布具有明顯的局部性，往往集中在某一或某些局部區(qū)域；從橫截面看，形態(tài)也不一，在較低放大倍數(shù)（數(shù)十倍）下如同干枯的樹木根須（細(xì)長(zhǎng)而多分枝）是典型的形態(tài)之一12Cr5Ni2Mo馬氏體不銹鋼脈沖MIG焊接熱影響區(qū)酸化NaCl溶液(pH=3.3)應(yīng)力腐蝕

16、裂紋2）擴(kuò)展行為與路徑發(fā)源于表面，從表面向內(nèi)部擴(kuò)展，擴(kuò)展方向基本垂直于拉應(yīng)力方向；應(yīng)力腐蝕斷口具有金屬光澤，為典型的脆性斷口，擴(kuò)展路徑依腐蝕體系（材料和介質(zhì)）可以是沿晶也可以是穿晶，還可以是二者混合。應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展路徑與腐蝕體系（材料和介質(zhì)）密切相關(guān)。同一種（類）材料因?yàn)楦g介質(zhì)的差異，既可以是沿晶也可以是穿晶，例如，在不同介質(zhì)條件下，鎳基合金也可以是穿晶，而奧氏體不銹鋼，也可以表現(xiàn)為沿晶AZ31鎂合金鎢極氬弧焊(GTAW)焊縫蒸餾水應(yīng)力腐蝕裂紋1Cr18Ni9Ti不銹鋼氯化物應(yīng)力腐蝕裂紋（300）3）延遲特征應(yīng)力腐蝕裂紋具有延遲性質(zhì)，這一點(diǎn)從應(yīng)力腐蝕裂紋的形成機(jī)制不難理解，因?yàn)闊o論是陽極

17、溶解開裂(APC)還是陰極氫脆開裂(HEC)都是與時(shí)間相關(guān)的過程。應(yīng)力腐蝕裂紋的延遲特性（裂紋形成時(shí)間與擴(kuò)展速率）與應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)有關(guān)。4）應(yīng)力相關(guān)性應(yīng)力腐蝕裂紋是一種低應(yīng)力開裂，但只有存在應(yīng)力（尤其是拉應(yīng)力）時(shí)才能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，這種應(yīng)力可以是外加應(yīng)力，或是加工和熱處理過程中引入的殘余應(yīng)力。焊接接頭產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的應(yīng)力通常是焊接過程形成的殘余應(yīng)力。對(duì)于確定的應(yīng)力腐蝕體系（材料和介質(zhì)）存在一個(gè)臨界應(yīng)力值，稱為應(yīng)力腐蝕開裂的門檻應(yīng)力（th），只有當(dāng)應(yīng)力高于該門檻應(yīng)力時(shí)，才能形成應(yīng)力腐蝕裂紋，而且應(yīng)力越高，裂紋形核和擴(kuò)展的時(shí)間（即試樣延遲斷裂時(shí)間）越長(zhǎng)；當(dāng)應(yīng)力當(dāng)應(yīng)力低于該門檻應(yīng)力時(shí)，不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕

18、裂紋。應(yīng)力腐蝕的門檻門應(yīng)力由應(yīng)力腐蝕體系即腐蝕介質(zhì)和金屬材料的力學(xué)性質(zhì)決定。由于應(yīng)力腐蝕的門檻門應(yīng)力通常遠(yuǎn)低于材料的斷裂強(qiáng)度（b），加之具有延遲特征，因此，應(yīng)力腐蝕裂紋容易導(dǎo)致無先兆的災(zāi)難性事故。5）介質(zhì)相關(guān)性應(yīng)力腐蝕裂紋是在應(yīng)力和介質(zhì)共同作用下形成的，其形成和發(fā)展與介質(zhì)具有強(qiáng)相關(guān)性。通常，純金屬不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，但合金（即便是含微量合金元素的合金）在特定的介質(zhì)中都具有一定的應(yīng)力腐蝕裂紋傾向，但其敏感性取決于材料與介質(zhì)的組合，即一種材料通常僅對(duì)某些特定的介質(zhì)表現(xiàn)出敏感性。常見材料的應(yīng)力腐蝕介質(zhì)3、應(yīng)力腐蝕裂紋的預(yù)防措施1）材料選擇 一種材料通常僅對(duì)某些特定的介質(zhì)表現(xiàn)出應(yīng)力腐蝕敏感性，反過來，一種介質(zhì)通常也僅對(duì)某些金屬材料具有應(yīng)力腐蝕傾向。可以根據(jù)確定的介質(zhì)（工作介質(zhì)或環(huán)境介質(zhì)）盡可能選擇對(duì)其不形成應(yīng)力腐蝕裂紋或應(yīng)力腐蝕裂紋敏感性較小的材料。2）焊接制造 減小焊接殘余應(yīng)力和成分的不均勻性、避免接頭（焊縫和熱影響區(qū)）嚴(yán)重的晶粒長(zhǎng)大