金屬焊接性及斷口分析2-焊件失效分析

金屬焊接及斷口分析一、焊件失效分析的概念﹑目的和意義

（一）焊件失效分析的概念

焊件失效：在焊接產(chǎn)品的零部件組裝焊接過程中，由于產(chǎn)生裂紋、氣孔、夾雜等缺陷，或者產(chǎn)生變形，或者接頭產(chǎn)生嚴(yán)重脆化而使焊件喪失規(guī)定功能的質(zhì)量事故。焊件失效分析：針對焊件失效，在分析失效現(xiàn)場資料和背景資料的基礎(chǔ)上，通過一系列的物理化學(xué)試驗，獲得大量反映失效物理過程的信息，然后對這些信息通過由表及里、由此及彼、去粗取精、去偽存真的綜合分析，找出失效的原因，并采取相應(yīng)的措施消除隱患，從而保證焊件質(zhì)量的技術(shù)工作。（二）焊件失效分析的目的

找出焊件失效的原因，制定有效的解決措施，防止類似的事故再次發(fā)生。（三）焊件失效分析的意義

1、保證焊接產(chǎn)品的生產(chǎn)過程正常運轉(zhuǎn)，從而保證焊接產(chǎn)品的質(zhì)量。

2、促進(jìn)焊接技術(shù)不斷提高。

（一）焊接變形引起的失效

主要有以下幾種:1、縱向收縮變形（動畫1）

2、橫向收縮變形

3、撓曲變形（動畫2）

4、角變形（動畫3）

5、波浪變形（動畫4）

6、螺旋變形（動畫5）

7、錯邊變形（動畫6）

二、焊件失效的種類和特征（二）焊接裂紋引起的失效

1、熱裂紋結(jié)晶裂紋、高溫液化裂紋、多邊化裂紋特征：（1）產(chǎn)生的溫度：上限稍高于焊縫名義固相線；下限略低于焊縫名義固相線。（2）產(chǎn)生的部位：焊縫、近縫區(qū)、多層焊層間（3）化學(xué)成分特點：焊縫中S、P、或Ni等元素較多。（4）金相特征：沿一次結(jié)晶組織的晶界分布。（圖1）（5）斷口特征：宏觀：有明顯的氧化色彩；微觀：為沿晶液膜分離斷口。（圖2）2、冷裂紋

延遲裂紋、淬硬脆化裂紋、低塑性脆化裂紋特征：（1）產(chǎn)生的溫度：通常在Ms點以下。（2）產(chǎn)生的鋼種：低、中合金鋼，中、高碳鋼。（3）產(chǎn)生的部位：主要產(chǎn)生在HAZ：如焊趾、焊根、焊道下。（圖3）（4）產(chǎn)生的時間：幾乎都延遲一段時間。（5）金相特征：產(chǎn)生部位有淬硬組織；裂紋走向既有沿晶，又有穿晶。（6）斷口特征：仍有金屬光澤；對于低合金鋼，啟裂處和擴展處：為準(zhǔn)解理，或沿晶，或兩者混合斷口；終斷區(qū)：多為韌窩斷口。

以14MnMoNbB為例（圖4）3、再熱裂紋

特征：（1）產(chǎn)生的時間：焊后不產(chǎn)生，在焊后熱處理或高溫加熱過程中產(chǎn)生。（2）產(chǎn)生的溫度：對于低合金鋼、耐熱鋼，敏感再加熱溫度為500～700℃。（3）產(chǎn)生的鋼種：含有Cr、Mo、V、Ti、Nb的低合金鋼和含有Nb的奧氏體不銹鋼。（4）產(chǎn)生的部位：HAZ的過熱區(qū)，走向大體與熔合線平行。（圖5）（5）應(yīng)力特征：焊后焊接接頭存在較大的殘余應(yīng)力或應(yīng)力集中。（6）金相特征：都是沿晶界開裂。（圖6）（7）斷口特征：幾乎都是冰糖狀的沿晶斷口。（圖7）4、層狀撕裂

特征：（1）產(chǎn)生的部位：HAZ或靠近接頭的母材。（2）產(chǎn)生的鋼種：不受鋼種限制，主要與鋼材中有帶狀分布的硫化物、硅酸鹽夾雜物等有關(guān)。（3）結(jié)構(gòu)和接頭特征：易在厚板結(jié)構(gòu)和T型、十字型或角接接頭中產(chǎn)生。（圖8）（4）應(yīng)力特征：有Z向拉伸應(yīng)力作用。（5）金相特征：宏觀：多呈階梯狀開裂；（圖9）微觀：裂紋走向既有穿晶也有沿晶。（6）斷口特征：宏觀：呈木紋狀；（圖10）微觀：平臺處多為準(zhǔn)解理斷口，可見到片狀、條狀或球狀夾雜物；剪切壁處多為剪切韌窩斷口，也會出現(xiàn)準(zhǔn)解理斷口。（圖11）（三）焊接氣孔引起的失效

主要可分為兩大類氣孔：第一類氣孔：主要有氫氣孔、氮氣孔(溶解度突變)

特征：大多數(shù)分布在焊縫表面。氫氣孔較分散，斷面呈螺釘狀；（圖12）氮氣孔一般是成堆出現(xiàn)。第二類氣孔：主要有CO氣孔（反應(yīng)）特征：大多數(shù)分布在焊縫內(nèi)部，沿一次結(jié)晶組織的晶界分布，呈條蟲狀。（圖13）（四）焊接夾雜引起的失效

主要有三類夾雜物：

1、氧化物夾雜如SiO2、MnO、FeO、TiO2等，一般多以硅酸鹽的形式存在，呈圓球形或點粒狀。（圖14）

2、氮化物夾雜主要是Fe4N,一般以針狀分布在晶粒上或貫穿邊界。（圖15）

3、硫化物夾雜主要是FeS、MnS，在焊縫中多呈球狀。MnS呈灰色，當(dāng)MnS內(nèi)溶解FeS時顏色會變淡。焊接接頭脆化能導(dǎo)致焊件開裂或斷裂。使接頭產(chǎn)生脆化的原因有：晶粒嚴(yán)重長大——“粗晶脆化”產(chǎn)生脆化組織——“組織脆化”析出碳化物，氮化物等——“析出脆化”析出石墨——“石墨脆化”產(chǎn)生熱應(yīng)變時效——“熱應(yīng)變時效脆化”特征：

1、產(chǎn)生破壞時，接頭承受的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計應(yīng)力。

2、破壞在突然之間發(fā)生。（五）焊接接頭脆化引起的失效3、呈現(xiàn)脆化斷口：

（1）解理（CF）斷口特征平坦型解理臺階（圖16）河流花樣（圖17）舌形花樣（圖18）扇形花樣（圖19）（2）準(zhǔn)解理（QC）斷口（圖20）特征：河流花樣短而彎曲，支流少，解理面小，且周圍有較多的撕裂棱。（3）沿晶（IC）斷口

特征：宏觀：表面平齊，呈白亮色顆粒狀。微觀：呈晶粒狀的多面體，冰糖狀。（圖21）

[典型的延性斷口]：宏觀：纖維狀，顏色發(fā)暗；微觀：韌窩（DR）斷口。（圖22）韌窩特征：斷口布滿大小不等的圓形或橢圓形的凹坑，凹坑中常有夾雜物或第二相粒子。三、焊件失效分析的基本思路和程序（一）基本思路

1.根據(jù)失效的背景資料和現(xiàn)場情況初步確定失效類型。

2.選擇試驗項目進(jìn)行檢驗。（二）分析程序

1.調(diào)查研究、收集資料

(1)調(diào)查失效現(xiàn)場

(2)調(diào)查失效背景

（二）分析程序

2.選取試樣3.失效分析實驗

(1)化學(xué)分析試驗：包括體積成分分析和微區(qū)成分分析試驗。

(2)宏觀分析試驗：包括宏觀金相分析和宏觀斷口分析試驗。

(3)微觀分析試驗：包括微觀金相分析和微觀斷口分析試驗。

(4)材料性能試驗。

(5)模擬試驗。

4.作出結(jié)論、制定措施。

四、焊件失效分析試驗的方法（一）化學(xué)分析試驗

1、體積成分分析試驗?zāi)康模毫私夂缚p或母材成分是否符合要求。（1）化學(xué)分析法取樣：用電鉆取樣（圖23）分析：利用儀器通過化學(xué)分析進(jìn)行測定。（2）物理分析法有光譜法、磁法、熱電法等。這些方法都需要精密儀器，具有快速、靈敏的特點。例如，吸收光譜儀。

2、微區(qū)成分分析試驗?zāi)康模簻y定夾雜物、第二相、晶界等微小范圍的元素含量或分布。測試儀器有：電子探針、離子探針、俄歇電子譜儀等。（二）金相分析試驗

1宏觀金相分析試驗首先對試樣進(jìn)行磨光、拋光和浸蝕，然后用50倍以下的放大鏡或光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。目的：觀察失效（裂紋）形態(tài)的全貌。

2微觀金相分析試驗用50倍以上的光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。目的：分析失效局部的組織、顯微缺陷等。（三）斷口分析試驗

1、宏觀斷口分析試驗用肉眼或放大鏡（50倍以下）對試樣的斷口直接進(jìn)行觀察。目的：觀察斷口的全貌，判斷斷裂的性質(zhì)，確定裂紋源的位置以及判斷裂紋的擴展方向等。例如：

2、微觀斷口分析試驗在掃描電子顯微鏡或透射電子顯微鏡下觀察。目的：對斷口表面作更深入、更細(xì)致的觀察，進(jìn)一步確認(rèn)斷裂的性質(zhì)。（四）材料性能試驗

包括力學(xué)性能試驗、焊接裂紋敏感性試驗等。目的：復(fù)驗材料的某項性能是否符合要求。例如：由于材料層狀撕裂的敏感性與其Z向拉伸抗力有關(guān)，因此常進(jìn)行材料的Z向拉伸試驗，通過測定Z向斷面收縮率來判斷層狀撕裂的敏感性：當(dāng)ψz>25%時，抗層狀撕裂性能優(yōu)