焊接裂紋及形成條件及形成機(jī)理

焊接裂紋及形成條件及形成機(jī)理第一頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日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(yīng)力腐蝕裂紋第七節(jié) 焊接裂紋綜合分析和判斷第五章焊接裂紋第二頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日2重點(diǎn)內(nèi)容1、裂紋的分類用一般特征2、結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理2、焊接冷裂紋的形成機(jī)理，特征、影響因素，及其防冶措施2、焊接裂紋綜合分析及判斷3、各種裂紋斷口形貌特征第三頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日3§5-1 概述

一、危害性

焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋輕者需要返修，浪費(fèi)人力、物力、時(shí)間，重者造成焊接結(jié)構(gòu)報(bào)廢，無(wú)法修補(bǔ)。更嚴(yán)重者造成事故、人身傷亡。如1969年有一艘5萬(wàn)噸的礦石運(yùn)輸船在太平洋上航行時(shí)，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(dāng)前主要課題。第四頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日4二、種類各種不同類型的裂紋①焊縫中縱向裂紋②焊縫上橫向裂紋③熱影響區(qū)縱向裂紋④熱影響區(qū)橫向裂紋⑤火口（弧坑）裂紋⑥焊道下裂紋⑦焊縫內(nèi)部晶間裂紋⑧焊趾裂紋⑨熱影響區(qū)焊縫貫穿裂紋⑩焊縫根部裂紋第五頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日5

分類:

1、按裂紋分布的走向分

縱向裂紋2、

按裂紋發(fā)生部位分

①橫向裂紋②縱向裂紋③星形（弧形裂紋）①焊縫金屬中裂紋②熱影響區(qū)中裂紋③焊縫熱影響區(qū)貫穿裂紋第六頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日63、按產(chǎn)生本質(zhì)分類1）、熱裂紋（高溫裂紋）產(chǎn)生：熱裂紋(高溫裂紋)高溫下產(chǎn)生存在部位：焊縫為主,熱影響區(qū)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(wú)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)第七頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日71)、熱裂紋分類

結(jié)晶裂紋：在凝固的過(guò)程--結(jié)晶過(guò)程中產(chǎn)生高溫液化裂紋：在高溫下產(chǎn)生,鋼材或多層焊的層間金屬含有低熔點(diǎn)化合物經(jīng)重新溶化，在收縮應(yīng)力作用下,沿奧氏體晶間發(fā)生開裂多邊化裂紋：產(chǎn)生溫度低于固相線溫度,存在晶格缺陷(位錯(cuò)和空位),物理化學(xué)的不均勻性,在應(yīng)力作用下,缺陷聚集形成多邊化邊界,使強(qiáng)度塑性下降,沿多邊化邊界開裂,多發(fā)生純金屬或單相奧氏體合金焊縫。第八頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日8HAZ液化裂紋晶間裂紋多邊化裂紋第九頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日92）、再熱裂紋（消除應(yīng)力處理裂紋）

由于重新加熱（熱處理）過(guò)程中產(chǎn)生稱再熱裂紋—消除應(yīng)力處理裂紋。3）、冷裂紋產(chǎn)生溫度：溫度區(qū)間在+100℃～-75℃之間存在部位:多在熱影響區(qū),但也有發(fā)生在焊縫。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：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。第十頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日10冷裂紋分類：延遲裂紋：特點(diǎn)不在焊后立即出現(xiàn)，有一段孕育期產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象稱延遲裂紋。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(guān)系不大）。低塑性脆化裂紋：在比較低的溫度下，由于收縮應(yīng)變超過(guò)了材料本身的塑性儲(chǔ)備產(chǎn)生的裂紋稱低塑性脆化裂紋。第十一頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日11延遲裂紋第十二頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日124）、層狀撕裂：

由于軋制母材內(nèi)部存在有分層的夾雜物(特別是硫化物夾雜物）和焊接時(shí)產(chǎn)生的垂直軋制方向的應(yīng)力，使熱影響區(qū)附近地方產(chǎn)生呈“臺(tái)階”狀的層狀斷裂并有穿晶發(fā)展。

第十三頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日135）、應(yīng)力腐蝕裂紋：

金屬材料在某些特定介質(zhì)和拉應(yīng)力共同作用下所產(chǎn)生的延遲破裂現(xiàn)象，稱應(yīng)力腐蝕裂紋。第十四頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日14三、熱裂紋與冷裂紋的基本特點(diǎn)

裂紋

熱裂紋

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(wú)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)、焊縫本節(jié)結(jié)束第十五頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日15§5-2焊接熱裂紋

一、結(jié)晶裂紋1、

產(chǎn)生機(jī)理

1）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)生和發(fā)展的，常見沿焊縫中心長(zhǎng)度方向開裂即縱向裂紋，有時(shí)焊縫內(nèi)部?jī)蓚€(gè)樹枝狀晶體之間。對(duì)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(qiáng)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。第十六頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日16結(jié)晶裂紋第十七頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日172）、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(diǎn)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(yīng)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：①液態(tài)薄膜 ②拉伸應(yīng)力液態(tài)薄膜—根本原因拉伸應(yīng)力—必要條件第十八頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日18②固液階段：這一區(qū)也稱為“脆性溫度區(qū)”即圖上a、b之間的溫度范圍③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(gè)階段①液固階段：（1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十九頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日193）產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件

如圖縱座標(biāo)表示溫度，橫坐標(biāo)表示由拉伸應(yīng)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(dāng)在某一瞬時(shí)溫度時(shí)有一個(gè)最小的塑性值（Pmin)（出現(xiàn)液態(tài)薄膜時(shí)）受拉伸應(yīng)力所產(chǎn)生的變形用e表示，也是溫度的函數(shù).第二十頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日20③按曲線（3）變化時(shí)，△e超過(guò)了焊縫塑性的最低值，產(chǎn)生裂紋

①如果拉伸應(yīng)力所產(chǎn)生的變形隨溫度T按曲線（1）變化，e隨T按曲線（1）變化。產(chǎn)生了△e變形量，但焊縫仍有△es的塑性儲(chǔ)備量即△es>0，不產(chǎn)生熱裂紋

②當(dāng)按曲線2變化時(shí),此時(shí)由拉伸應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變,恰好等于焊縫的最低塑性值,即處于臨界狀態(tài).第二十一頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日21

在脆性溫度區(qū)焊縫所承受的拉伸應(yīng)力所產(chǎn)生的變形大于焊縫金屬所具有的塑性時(shí)產(chǎn)生裂紋即,高溫階段晶間塑性變形能力不足以承受當(dāng)時(shí)所發(fā)生塑性應(yīng)變量。產(chǎn)生裂紋的條件

第二十二頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日22②脆性溫度區(qū)（TB）內(nèi)金屬的塑性，TB內(nèi)金屬的塑性越小，越易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。結(jié)論：

①脆性溫度區(qū)間大小,TB大，拉應(yīng)力作用時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)生裂紋可能性大，決定于焊縫化學(xué)成分，雜質(zhì)性質(zhì)與分布，晶粒大小。③TB內(nèi)隨溫度降低變形的增長(zhǎng)率（拉伸應(yīng)力的增長(zhǎng)率）,臨應(yīng)變率CST越大,則表示材料的熱裂紋敏感性越小,越不易產(chǎn)生裂紋。第二十三頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日23二、焊接結(jié)晶裂紋的影響因素

1）、冶金因素

①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(gè)結(jié)晶溫度區(qū)間的增加而增加如圖S點(diǎn)、結(jié)晶區(qū)間最大、裂紋傾向最大、共晶點(diǎn)、裂紋傾向最小。實(shí)踐平衡條件下，虛線不平衡結(jié)晶。第二十四頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日24②合金元素

a)、S、P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(guò)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(shí)驗(yàn)可知P、S偏析系數(shù)K越大,偏析的程度越嚴(yán)重.偏析可能在鋼的局部地方形成低熔點(diǎn)共晶產(chǎn)生裂紋。第二十五頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日25b)、C

i)、C<0.1%C↑結(jié)晶溫度區(qū)間↑,裂紋↑

ii)、C>0.16%Mn/S↑無(wú)效,加劇P有害作用裂↑

iii)、C>0.51%初生相

初生相S、P在小相中溶解度低，析出S、P集富在晶界上，裂紋↑Mn具有脫S作用其中Mn熔點(diǎn)高，早期結(jié)晶星球狀分布，抗裂↑

含碳量C<0.016%S↑裂↑但加入Mn↑裂↓含碳量C>0.016%P對(duì)形成結(jié)晶裂紋的作用超過(guò)了S，Mn↑無(wú)意義

c)、Mn注意：第二十六頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日26d)、Si

硅是相形成元素，利于消除結(jié)晶裂紋,相中S、P溶解度大緣故，Si>0.4%易形成低熔點(diǎn)的硅酸鹽夾雜使裂↑對(duì)硫的親合力大，形成高熔點(diǎn)的硫化物，消除結(jié)晶裂紋有良好的作用。e)、鈦Ti鋯（4）和稀土元素第二十七頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日27f)、O

O↑降低S的有害作用，氧、硫、鐵能形成Fe-FeS-FeO三元共晶，使FeS由薄膜變成球狀，裂↓日本JWS臨界應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率CSTCST=(-19.2C-97.2S-0.8Cu-1.0Ni+3.9Mn+65.7Nb-618.5B+7.0)*10-4當(dāng) 時(shí)，可以防止裂紋熱裂敏感系數(shù)HCS公式當(dāng)HCS<4時(shí)，可以防止裂紋第二十八頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日28③凝固時(shí)界面張力雜質(zhì)的低熔點(diǎn)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↑第二十九頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日29—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(dāng)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↓

/固相晶粒之間和固液之間表面張力的平衡關(guān)系為第三十頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日30④一次結(jié)晶組織形態(tài)及組織對(duì)結(jié)晶裂紋的影響晶粒大小：晶粒粗大裂紋的傾向↑初生相：相裂↑裂↓線膨脹系數(shù)小于，相變應(yīng)力↓裂↓第三十一頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日312)、力的因素

在焊接時(shí)脆性溫度區(qū)內(nèi)金屬的強(qiáng)度要小在脆性溫度區(qū)內(nèi)金屬所承受的拉伸應(yīng)力。產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的充分條件?！诖嘈詼囟葏^(qū)內(nèi)金屬的強(qiáng)度—在脆性溫度內(nèi)金屬所承受的拉伸應(yīng)力金屬的強(qiáng)度決定于—晶內(nèi)強(qiáng)度—晶間強(qiáng)度第三十二頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日32T↑↓T>時(shí)，>發(fā)生斷裂晶間斷裂T→=—稱金屬的等強(qiáng)溫度若焊縫所受拉伸應(yīng)力為隨溫度變化始終不超過(guò)，則不會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋<若焊縫的拉伸應(yīng)力為，>產(chǎn)生結(jié)晶裂紋↓產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件是冶金因素和力共同作用，二者缺一不可第三十三頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日33三、防止結(jié)晶裂紋的措施

1）、冶金方面

焊絲C<0.12%(低碳鋼)焊接高合金鋼，焊絲超低碳焊絲②改善焊縫的一次結(jié)晶細(xì)化晶粒，加入Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al第三十四頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日342)、工藝方面（減少拉應(yīng)力）

(ⅰ)應(yīng)變率,E↑、↑應(yīng)變率↓（ⅱ）接頭預(yù)熱型式適當(dāng)增加線能量（q/v）接頭型式合理（ⅲ）妥善安排焊接次序焊次序

第三十五頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日35四、近縫區(qū)液化裂紋

1、

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、產(chǎn)生原因

1）、近縫區(qū)晶界處存在低熔點(diǎn)雜質(zhì)2）、近縫區(qū)存在晶間液膜(低熔點(diǎn)共晶體)第三十六頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日36液化裂紋第三十七頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日373、影響因素

1）、化學(xué)成分2）、工藝因素4、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，采用小線能量，避免近縫區(qū)晶粒粗化第三十八頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日38五、多邊化裂紋

1、形成條件（形成機(jī)理）

多邊化現(xiàn)象，焊縫金屬中存在很多高密度的位錯(cuò)在高溫和應(yīng)力的共同作用下，位錯(cuò)極易運(yùn)動(dòng)，在不同平面上運(yùn)動(dòng)的刃型位錯(cuò)遇到障礙時(shí)可能發(fā)生攀移，由原來(lái)的水平組合變成后來(lái)的垂直組合，即形成“位錯(cuò)壁”就是多邊化現(xiàn)象。

第三十九頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日392、特點(diǎn)

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(fù)受熱金屬中（多層焊）4）、斷口呈現(xiàn)出高溫低塑性斷裂第四十頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日403、影響因素

形成多邊化過(guò)程所需時(shí)間：t－完成多邊化過(guò)程所需時(shí)間 －常數(shù)u－多邊化過(guò)程的激活能，決定于合金成分和應(yīng)力狀態(tài)R－氣體常數(shù)（8.4J/mol﹒k）T－溫度（K）從公式中可以看出，完成多邊化過(guò)程所需時(shí)間與H、T有關(guān)第四十一頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日411）合金成分的影響

在焊縫中加入一些提高多邊化過(guò)程激活能的元素，可有效阻止多邊化過(guò)程2）應(yīng)力狀態(tài)的影響

有應(yīng)力存在，使多邊化過(guò)程加速3）溫度的影響

在形成多邊化過(guò)程的溫度越高時(shí)間越短本節(jié)結(jié)束第四十二頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日42§5-3焊接冷裂紋

1.產(chǎn)生溫度:Ms點(diǎn)附近或200～300℃以下溫度區(qū)間

2.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(qiáng)鋼，熱影響區(qū)合金元素多的超高強(qiáng)鋼、Ti合金發(fā)生在焊縫

3.裂紋的走向：沿晶、穿晶

4.產(chǎn)生時(shí)間:可焊后立即出現(xiàn)，也有的幾小時(shí)，幾天或更長(zhǎng)時(shí)間一、冷裂紋的一般特征

第四十三頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日43二、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)：1）、焊趾裂紋—縫邊裂紋2）、焊道下裂紋3）、根部裂紋第四十四頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日44三、延遲裂紋的機(jī)理

高強(qiáng)鋼焊接時(shí)產(chǎn)生延遲裂紋的原因主要是：鋼種的淬硬傾向；焊接接頭的含氫量及其分布，焊接接頭的拘束應(yīng)力。延遲裂紋的開裂過(guò)程存在這兩個(gè)不同的過(guò)程，即裂紋的起源和裂紋的擴(kuò)展，擴(kuò)展到一定情況下，發(fā)生斷裂，我們只從宏觀的角度闡述一下產(chǎn)生延遲裂紋的三要素。第四十五頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日45F+PAMA裂第四十六頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日46第四十七頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日471、鋼種的淬硬傾向

焊接接頭的淬硬傾向主要決定于鋼種的化學(xué)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?yàn)椋?）、形成脆硬的馬氏體2）、淬硬產(chǎn)生晶格的缺陷

第四十八頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日482、氫的作用

氫是引起高強(qiáng)鋼焊接時(shí)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HydrogoundacpdCrack1）、氫在焊縫金屬中的溶解與擴(kuò)散2）、金屬組織對(duì)氫的擴(kuò)散影響3）、熱影響區(qū)氫致裂紋產(chǎn)生氫在致裂過(guò)程中動(dòng)態(tài)行為4）、氫致裂紋開裂機(jī)理第四十九頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日49殘余擴(kuò)散氫HR100H0------凝固時(shí)焊縫的初始含氫量（ml/100g)hw-----焊縫的平均厚度（mm）M-----氫的熱擴(kuò)散因子（mm2）日本天津大學(xué)第五十頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日50氫致裂紋目前有幾種說(shuō)法

①氫的應(yīng)力擴(kuò)散理論②空穴氫壓脆化說(shuō)

③氫吸附脆化說(shuō)第五十一頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日51裂縫頂端三向應(yīng)力區(qū)HHHHHHH擴(kuò)散氫裂紋擴(kuò)展H2HHHHHHH新的三向應(yīng)力區(qū)氫致裂紋擴(kuò)展過(guò)程第五十二頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日52第五十三頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日533、焊接接頭的拘束應(yīng)力

1）、焊接接頭的拘束應(yīng)力

a、熱應(yīng)力與母材焊條金屬的熱物理性質(zhì)及剛度有關(guān)b、組織應(yīng)力—相變、組織比容不同而產(chǎn)生c、附加應(yīng)力—結(jié)構(gòu)自身拘束條件所造成的應(yīng)力包括結(jié)構(gòu)的形式、焊縫位置、施焊的順序第五十四頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日54定義：相當(dāng)于為使焊接接頭根部間隙彈性位移單位長(zhǎng)度時(shí)，單位長(zhǎng)度焊縫所受的力的大小。即定義為拘束度。符號(hào)：R2）、拘束度：表示母材對(duì)反作用力的剛度第五十五頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日55公式：

E—母材金屬的彈性模量 —板厚 l—焊縫長(zhǎng)度 L—拘束距離

m為拘束應(yīng)力轉(zhuǎn)換系數(shù)第五十六頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日563）、產(chǎn)生裂紋的臨界拘束應(yīng)力臨界拘束應(yīng)力：開始產(chǎn)生裂紋時(shí)的拘束應(yīng)力日本IL委員會(huì)插銷式裂紋試驗(yàn)所確定的 =(86.3-211Pcm-28.21log[[H]+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(kuò)散氫含量100mol/gt800～500—在接條件下，熔合區(qū)附近1350℃冷卻到800～500℃的冷卻時(shí)（S）t100—從熔合區(qū)附近1350℃～100℃實(shí)際冷卻時(shí)間第五十七頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日57 —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

1)、鋼種化學(xué)成分的影響1、影響因素

冷裂紋判據(jù)應(yīng)用于 、—裂紋敏感指數(shù)上述公式是經(jīng)驗(yàn)式,有一定的使用范圍適用范圍可參考

第五十八頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日58對(duì)接接頭 <50mm拘束度與板厚的關(guān)系R≦K1R=K1長(zhǎng)焊縫K1=400定位短焊縫K1=700K1板厚拘束系數(shù)點(diǎn)固焊的短焊縫和斜Y型坡口裂紋試驗(yàn)K1=70R≦70低合金高強(qiáng)鋼冷裂紋敏感性判據(jù)條件當(dāng)>500℃R=71K1[arctg(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(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)）R可通過(guò)計(jì)算或?qū)崪y(cè)求得只適用單向拉伸2）、拘束應(yīng)力的影響第五十九頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日59對(duì)于三維彈塑性有限元計(jì)算--拉板厚度（mm）Sinh---雙曲線正弦函數(shù)hw----試驗(yàn)焊縫厚度（mm）B----試板寬度，即拘束距離（mm）第六十頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日603)、氫的有害影響4)、工藝影響

①線能量②預(yù)熱溫度③焊后后熱④多層焊第六十一頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日61綜合上述各影響因素，提出了預(yù)測(cè)高強(qiáng)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(shí)間—臨界冷卻時(shí)間.

—實(shí)際焊接條件下，熔合區(qū)附近1350～100℃的冷卻時(shí)間A.n—實(shí)驗(yàn)常數(shù)

—裂紋敏感系數(shù)若 越高，則越大，越易產(chǎn)生裂紋第六十二頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日622、防止措施

1）、冶金措施①（低碳微量多合金）②[H]↓選用低氫焊接材料，低氫焊接方法如CO2焊③控制氫的來(lái)源，烘干焊條消理焊件焊絲④加入某些合金元素，提高塑性⑤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(qiáng)鋼，避免冷裂紋第六十三頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日632）、工藝措施①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②預(yù)熱冷卻速度↓[H]外逸③后熱[H]↓消氫處理350℃保溫1—2小時(shí)，使氫外逸對(duì)于需要較高預(yù)熱溫度的中碳鋼，高碳鋼及中碳調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼，如果由于形狀復(fù)雜或需要在結(jié)構(gòu)內(nèi)部施焊等因素要避免高溫預(yù)熱時(shí)，采用后熱并配合低溫的預(yù)熱特別見效。第六十四頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日643）、拘束應(yīng)力①防止焊縫分布密集，消除應(yīng)力集中部位如缺口，坡口形狀對(duì)稱

②適當(dāng)?shù)念A(yù)熱、后熱、緩冷本節(jié)結(jié)束第六十五頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日65§5-4再熱裂紋

定義：焊后再加熱,消除應(yīng)力退火,高溫工作時(shí)500—600℃過(guò)程中產(chǎn)生裂紋稱再熱裂紋。一、再熱裂紋的特征

1、熱裂紋產(chǎn)生部位：近縫區(qū)的粗晶區(qū)，止裂于細(xì)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)展第六十六頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日66再熱裂紋第六十七頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日672、敏感的溫度范圍:一般在500～700℃低于500或高于700℃,再加熱不易出現(xiàn)再熱裂紋

3、有大量的內(nèi)應(yīng)力存在，及應(yīng)集中:在大拘束度的厚件或應(yīng)力集中部位易產(chǎn)生再熱裂紋

4、易產(chǎn)生在具有沉淀強(qiáng)化作用的鋼材中:晶界滑動(dòng)→微裂→擴(kuò)展→裂紋

第六十八頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日68二、產(chǎn)生機(jī)理

1、一般條件e>ec產(chǎn)生裂紋e—產(chǎn)生裂紋的晶界微觀局部的實(shí)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實(shí)際塑性應(yīng)變：接頭的殘余應(yīng)力經(jīng)再加熱產(chǎn)生應(yīng)力松馳而引起，與接頭的拘束度殘余應(yīng)力，應(yīng)力集中有關(guān)。

第六十九頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日692、再熱裂紋產(chǎn)生機(jī)理

1）、晶界雜質(zhì)析集弱化說(shuō)①晶界析集P、S、②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:第七十頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日702）、二次沉淀理論晶內(nèi)沉淀強(qiáng)化

①具有沉淀強(qiáng)化的元素②焊接高溫時(shí)過(guò)a熱區(qū)合金元素全部溶入A中，A長(zhǎng)大.③焊后冷卻速度快，合金元素以過(guò)飽和形式溶入在F中，滲碳體，一般出現(xiàn)在位錯(cuò)、空位、缺陷等處。④焊后再加熱時(shí)（500--700℃）第七十一頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日713）、高溫蠕變理論

蠕變定義：金屬在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度，也會(huì)緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。特征：①材料內(nèi)的應(yīng)力小于材料的屈服應(yīng)力②與溫度有關(guān)T蠕變速度③溫度升高持久強(qiáng)度下降④高溫下，晶界強(qiáng)度低于晶內(nèi)強(qiáng)度第七十二頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日721.楔形開裂應(yīng)力臨界應(yīng)力：2.空位聚集而產(chǎn)生的“空位開裂”最小能量第七十三頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日73低合金鋼產(chǎn)生再熱裂紋臨界應(yīng)力關(guān)系式產(chǎn)生再熱裂紋臨界應(yīng)力(N/mm2)如結(jié)構(gòu)實(shí)際拘束應(yīng)力為 時(shí)，則第七十四頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日74第七十五頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日75三、影響因素

1.化學(xué)成分對(duì)再熱裂紋的影響2．晶粒度對(duì)再熱裂紋的影響3．焊接接頭不同部位和不同組織對(duì)再熱裂紋的影響(一)、冶金因素

第七十六頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日76(二)工藝措施

1、

預(yù)熱及后熱

預(yù)熱裂200～450℃，后熱可降低預(yù)熱溫度2、線能量的作用

E適當(dāng)增加，減少過(guò)熱區(qū)硬度，裂紋減小3、低強(qiáng)焊縫應(yīng)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(yīng)力和避免應(yīng)力集中本節(jié)結(jié)束第七十七頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日77§5-5層狀撕裂

1、產(chǎn)生的部位和形狀宏觀形狀：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(tái)與大體上垂直于平臺(tái)的剪切壁所組成。

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(tái)在不同高度分布的結(jié)果部位：母材或熱影響區(qū)一、特征及危害性

第七十八頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日782、產(chǎn)生在厚板結(jié)構(gòu)中

十字接頭,丁字接頭,角接頭，平臺(tái)局部地區(qū)有硅酸鹽或氧化物夾雜物

第七十九頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日79

種類

依產(chǎn)生部位分:

第一類是在焊接熱影響區(qū)焊趾或焊根 冷裂紋誘發(fā)而形成層狀措裂；

第二類熱影響區(qū)沿夾雜開裂；

第三類遠(yuǎn)離熱影響區(qū)母材中沿夾雜開裂 MnS片狀?yuàn)A雜較多。

第八十頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日80二、形成機(jī)理及影響因素

(一)、層狀撕裂的形成過(guò)程1、厚板結(jié)構(gòu)中焊接時(shí)剛性拘束條件下，產(chǎn)生較大的Z向應(yīng)力和應(yīng)變，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到超過(guò)材料的形變能力之后，夾雜物與金屬基體之間弱結(jié)合面發(fā)生脫離，形成顯微裂紋，裂紋尖端的缺口效應(yīng)造成應(yīng)力、應(yīng)變的集中，迫使裂紋沿自身所處的平面擴(kuò)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”。第八十一頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日812、與此同時(shí)相鄰近的兩個(gè)平臺(tái)之間的裂紋尖端處，在應(yīng)力應(yīng)變影響下在剪切應(yīng)力作用下發(fā)生剪切斷裂，形成“剪切壁“，這些平臺(tái)和剪切壁在一起，構(gòu)成層狀撕裂所持有的階梯形狀。第八十二頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日82(二)、影響因素

1、非金屬夾雜物的種類2、焊接Z向應(yīng)力3、母材性能①熱影響區(qū)產(chǎn)生淬硬組織、塑性下降;②加熱150～350℃出現(xiàn)應(yīng)變時(shí)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八十三頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日83四、防止措施

(一)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)設(shè)計(jì)和工藝措施1、

改變接頭形式、降低焊接應(yīng)力2、

應(yīng)盡量避免單側(cè)焊縫等;3、

應(yīng)盡量避免承載焊縫4、

預(yù)熱及后熱5、

加軟焊道第八十四頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日84接頭形式在受力最小時(shí)即可防止層狀撕裂，通過(guò)開坡口來(lái)減輕鋼板Z向受承受的應(yīng)力和應(yīng)變。本節(jié)結(jié)束第八十五頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日85§5-6應(yīng)力腐蝕撕裂(SCC)

應(yīng)力腐蝕裂紋：金屬材料在某些特定介質(zhì)和拉應(yīng)力共同作用下所產(chǎn)生的延遲破裂現(xiàn)象稱應(yīng)力腐蝕裂紋。

應(yīng)力腐蝕裂紋已成為工業(yè)中特點(diǎn)是石油工業(yè)中最突出的問(wèn)題，日本1965～1975十年間化工設(shè)備破壞事故統(tǒng)計(jì)有50%屬于應(yīng)力腐蝕開裂，應(yīng)力腐蝕裂紋造成危害極大。第八十六頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日86一、應(yīng)力腐蝕裂紋特征

1、形貌：外觀：無(wú)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(lái)看：猶如枯干的樹木的根須，由表面向縱深方向往里發(fā)展，裂口深寬比大，細(xì)長(zhǎng)而帶有分支是其典型的特點(diǎn)。從斷口來(lái)看：仍保持金屬光澤為典型脆性斷口第八十七頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日87應(yīng)力腐蝕裂紋第八十八頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日882、材質(zhì)與介質(zhì)的匹配

純金屬不產(chǎn)生應(yīng)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(yīng)力腐蝕開裂傾向。但并不是說(shuō)，任何合金在任何介質(zhì)中都產(chǎn)生應(yīng)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(yīng)力腐蝕裂紋。應(yīng)力腐蝕開裂溫度:易產(chǎn)生在100～300℃之間第八十九頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日893、應(yīng)力腐蝕開裂的臨界應(yīng)力

拉應(yīng)力的存在是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的先決條件之一，造成應(yīng)力腐蝕開裂的應(yīng)力主要是殘余應(yīng)力。臨界應(yīng)力

—引起應(yīng)力腐蝕裂紋開裂的臨界應(yīng)力，與腐蝕介質(zhì)，金屬材料的強(qiáng)度級(jí)別有關(guān)。

第九十頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日90二、應(yīng)力腐蝕裂紋的形成條件

形成機(jī)理

（一）、電化學(xué)應(yīng)力裂機(jī)理從電化學(xué)考慮，把應(yīng)力腐蝕裂紋分為兩大類一類為應(yīng)力陽(yáng)極溶解開裂簡(jiǎn)記APC另一類應(yīng)力陰極氫脆開裂簡(jiǎn)記HEC形成三要素：1）材質(zhì)2)腐蝕介質(zhì)3)臨界拉應(yīng)力第九十一頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日91HEC和APC應(yīng)力腐蝕過(guò)程第九十二頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日92（二）、機(jī)械破裂應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理

1）、孕育期應(yīng)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(huì)產(chǎn)生“滑移臺(tái)階”，形成局部性的最初腐蝕裂口，造成拉應(yīng)力集中，局部產(chǎn)生滑移階梯、導(dǎo)致保護(hù)膜破壞。第九十三頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日93第九十四頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日94第九十五頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日952）、發(fā)展階段

腐蝕裂口在拉應(yīng)力與介質(zhì)的共同作用下（物理作用及化學(xué)作用）沿著垂直拉應(yīng)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(yīng)力因素占優(yōu)勢(shì)，將是某一裂口優(yōu)先發(fā)展，腐蝕因素占優(yōu)勢(shì)則可能同時(shí)幾條裂口平行地發(fā)展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(yīng)力局部越來(lái)越大的累積結(jié)果，最終破壞是力的因素起主要作用。

第九十六頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日96裂紋擴(kuò)展的幾種說(shuō)法

陽(yáng)極相的沉淀腐蝕介質(zhì)的吸附陰極氫化反應(yīng)機(jī)械化學(xué)效應(yīng)隧洞腐蝕

第九十七頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日97三、應(yīng)力腐蝕的預(yù)防措施

（一）、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1、合理選材母材選材必須有足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不能只看材料牌號(hào)，不能單純考慮強(qiáng)度級(jí)別，因同一強(qiáng)度等級(jí)，合金系統(tǒng)不同，抗應(yīng)力腐蝕開裂的傾向很大。2、避免高應(yīng)力區(qū)第九十八頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日98

（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)的腐蝕特性，及合金元素的特性，則確定焊縫成分從而確定焊接材料。因此必須根據(jù)具體腐蝕介質(zhì)，調(diào)整焊縫的合金系統(tǒng)，以便提高耐應(yīng)力腐蝕開裂的能力。

第九十九頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日991、

合理制定裝焊工藝

1）、成形及裝配工藝

引起應(yīng)力腐蝕裂紋的重要原因之一就是殘余應(yīng)力，從部件成形加工列組裝都可引起殘余應(yīng)，特別是強(qiáng)制組裝，例如用千斤組裝大錯(cuò)口，可以形成很大的殘余應(yīng)力，在組裝質(zhì)量不良的條件下（錯(cuò)口）焊接時(shí)，會(huì)造成較大的殘余應(yīng)力。組裝時(shí)所造成傷痕如隨意打弧的灼痕等都會(huì)成應(yīng)力腐蝕裂源。

第一百頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日1002)、焊接工藝

基本點(diǎn)，不產(chǎn)生硬化組織，不發(fā)生晶粒嚴(yán)重粗化現(xiàn)象,接頭硬度↑粗晶區(qū)的應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展敏感性最大，主要是由于晶粒粗大，以致裂紋尖端集中的位錯(cuò)數(shù)量增大，并可形成大的滑移階梯，從而利于應(yīng)力腐蝕裂紋的形成和擴(kuò)展。第一百零一頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日101消除應(yīng)力處理焊后消除應(yīng)力處理是防止產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的重要環(huán)節(jié)。例氫化脫硫裝置的硫化物應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)，鋼種彎曲成形加工后的熱處理溫度溫度350℃400℃450℃500℃550℃650℃850℃1Cr18Ni8xxxxxooo1Cr18Ni9TiXxoooooo其中x裂紋，o無(wú)裂紋第一百零二頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日1021.整體消除應(yīng)力處理消除應(yīng)力的程度可用下式估算P=T（lgt+20)*10-3P—消除應(yīng)力效果參數(shù)T—熱力學(xué)溫度t

—保溫時(shí)間2.局部消除應(yīng)力處理R----管子半徑---板厚加熱寬度第一百零三頁(yè)，共一百二十頁(yè)，2022年，8月28日103（三）、生產(chǎn)管理

1、

防蝕處理介質(zhì)隔離、涂層、襯里