第五章 焊接裂紋

第五章焊接裂紋1第一頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五第一節(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第五章焊接裂紋2第二頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五重點內(nèi)容1、裂紋的分類用一般特征2、結(jié)晶裂紋的形成機理、影響因素及其防冶措施3、焊接冷裂紋的形成機理4、應力腐蝕裂紋形成機理5、層狀撕裂產(chǎn)生原因及防止6、焊接裂紋綜合分析及判斷，各種裂紋斷口形貌特征。3第三頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié) 概述

一、危害性

焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋時，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。4第四頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五二、焊接裂紋的分類及特征1.按照裂紋走向和分布位置分類：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焊縫根部裂紋縱向裂紋5第五頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五6第六頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五2、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)也存在。特征：宏觀看,沿焊縫的軸向成縱向分布（連續(xù)或繼續(xù)），也可看到焊縫橫向裂紋，裂口均有較明顯的氧化色彩，表面無光澤。微觀上，沿晶粒邊界分布，屬于沿晶斷裂性質(zhì)。7第七頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五熱裂紋分類

結(jié)晶裂紋：在凝固的過程--結(jié)晶過程中產(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。多邊化裂紋：產(chǎn)生溫度低于固相線溫度,因存在晶格缺陷(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,沿多邊化邊界開裂,多發(fā)生純金屬或單相奧氏體合金焊縫中。8第八頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五HAZ液化裂紋結(jié)晶裂紋多邊化裂紋9第九頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五3）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：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。2）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。10第十頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五冷裂紋分類：延遲裂紋：特點不在焊后立即出現(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（與氫含量關系不大）。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。11第十一頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五延遲裂紋12第十二頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五

4）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），在焊接時產(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”狀的層狀斷裂并沿穿晶發(fā)展。

13第十三頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五

5）應力腐蝕裂紋：

金屬材料在某些腐蝕介質(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。14第十四頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五三、熱裂紋與冷裂紋的基本特點

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15第十五頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)焊接熱裂紋

焊接熱裂紋是焊接生產(chǎn)中常見的一種焊接缺陷，一般的低碳鋼、低合金鋼，不銹鋼、鋁合金、鎳基合金等，在焊接過程中都可能會產(chǎn)生熱裂紋。常見的熱裂紋主要是結(jié)晶裂紋、液化裂紋和多邊化裂紋。有時把高溫空穴開裂和蠕變開裂（包括再熱裂紋）也劃分在熱裂紋當中。焊接生產(chǎn)中遇到的熱裂紋主要是結(jié)晶裂紋。16第十六頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五一、結(jié)晶裂紋的形成機理

1、

產(chǎn)生機理1）產(chǎn)生部位：結(jié)晶裂紋大部分都沿焊縫樹枝狀晶的交界處發(fā)生和發(fā)展的，常見的沿焊縫中心縱向開裂，有時也發(fā)生在焊縫內(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)生在焊縫結(jié)晶過程中的薄弱地帶—晶界，含雜質(zhì)較多的鋼種，除發(fā)生在焊縫上外，還出現(xiàn)在近縫區(qū)上。17第十七頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五結(jié)晶裂紋18第十八頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五19第十九頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五×500圖中上部是焊縫，下部是母材，裂縫分布在先共析鐵素體中20第二十頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五

×340裂縫發(fā)生在一次結(jié)晶晶界上的先共析鐵素體中，并沿鐵素體擴展，這種情況與非金屬夾雜物呈鏈狀分布在先共析鐵素體中有關。21第二十一頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五2）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：①液態(tài)薄膜 ②拉伸應力

結(jié)晶裂紋是在焊縫結(jié)晶過程中產(chǎn)生的，但是究竟產(chǎn)生在結(jié)晶的哪個階段哪？22第二十二頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五②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)晶分為以下三個階段①液固階段：

TB—稱為脆性溫度區(qū)，在此區(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。23第二十三頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五綜上所述：當溫度在脆性溫度區(qū)間時，焊縫金屬產(chǎn)生裂紋的可能性較大；當溫度高于或低于脆性溫度區(qū)時，焊縫金屬具有較大的抵抗結(jié)晶裂紋的能力，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向小。

一般情況下，雜質(zhì)少的金屬由于脆性溫度區(qū)的范圍窄，拉伸應力在此區(qū)間的作用時間短，應變量小，焊接時產(chǎn)生裂紋的可能性??；若含雜質(zhì)較多或有明顯方向性粗大晶粒時，脆性溫度區(qū)范圍變寬，拉伸應力在此區(qū)的作用時間長，裂紋傾向大。24第二十四頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五

從上述的討論中可以看出：由低熔點共晶形成的液態(tài)薄膜是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的主要根源。但大量的試驗表明當?shù)腿埸c共晶的數(shù)量達到一定界限時，反而具有愈合裂紋的作用，即低熔點共晶達到一定數(shù)量后，可以自由流動，填充有裂紋的部位，減少裂紋的形成，所以為防止結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生，有時在焊接過程中加入一定量的硅，利用低熔點共晶形成愈合作用而消除裂紋。25第二十五頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五為了進一步證明結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的條件，焊接專家們進行了大量的分析和研究，通過一系列的試驗，建立了各種不同的理論，其中以前蘇聯(lián)學者普洛霍洛夫的理論最具有代表性，他從理論上提出了拉伸應力與脆性溫度區(qū)內(nèi)被焊金屬塑性變變化之間的關系。26第二十六頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五3）產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件

在ＴＢ焊縫的塑性用P表示,當在某一瞬時溫度時有一個最小的塑性值（Pmin)（出現(xiàn)液態(tài)薄膜時）。Pmin-△e=△es受拉伸應力所產(chǎn)生的變形用e表示，e=f(T)也是溫度的函數(shù).并按曲線1、2、3變化。27第二十七頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五

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足以承受當時所發(fā)生塑性應變量,因此不產(chǎn)生熱裂紋。產(chǎn)生裂紋的條件

28第二十八頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五②脆性溫度區(qū)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。這與焊縫的化學成分、晶粒大小和應變速率有關。結(jié)論①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，TB取決于焊縫化學成分，雜質(zhì)性質(zhì)與分布，晶粒大小。③在TB內(nèi)的應變增長率（拉伸應力的增長率）：在TB內(nèi)，隨溫度的下降，收縮產(chǎn)生的拉伸應力增大，應變增長率增大，容易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，應變增長率主要決定于被焊材料的熱物理性能、焊件的剛度、焊接的工藝和溫度場等。29第二十九頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五二、焊接結(jié)晶裂紋的影響因素

兩個方面：冶金因素、力的因素1）冶金因素

①合金狀態(tài)圖和結(jié)晶溫度傾向：結(jié)晶裂紋傾向的大小隨著該合金狀態(tài)圖結(jié)晶溫度區(qū)間的增大而增加。備注：焊接條件下凝固屬于不平衡結(jié)晶。實際凝固線比平衡條件下要左移。30第三十頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五②合金元素對產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的影響

合金元素及雜質(zhì)對結(jié)晶裂紋的影響十分復雜，但又非常重要。往往是多種元素相互影響，共同作用，甚至彼此矛盾，其中各種元素形成低熔點薄膜雜質(zhì)是影響結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的重要因素。31第三十一頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五

a)S、P

幾乎在各類鋼中存在都會增加結(jié)晶裂紋的傾向，即使微量存在，也會使結(jié)晶區(qū)間增大。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因此S、P是是最為有害的雜質(zhì)。32第三十二頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五b)C

影響結(jié)晶裂紋的主要因素，并且加劇其他元

素的有害作用。

i).C<0.1%C↑結(jié)晶溫度區(qū)間↑,裂紋↑

ii).C>0.16%Mn/S↑脫硫無效,加劇P有害作用，裂↑

iii).C>0.51%S、P在各相中溶解度低，析出S、P集富在晶界上，裂紋↑

Mn具有脫S作用，其中Mn熔點高，早期結(jié)晶呈球狀分布，抗裂↑

含碳量C<0.16%S↑裂↑但加入Mn↑裂↓含碳量C>0.16%P對形成結(jié)晶裂紋的作用超過了S，Mn↑無意義

c)Mn注意：33第三十三頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五d)Si

硅是有利于消除結(jié)晶裂紋的元素，

但Si>0.4%易形成低熔點的硅酸鹽夾雜使裂紋↑對硫的親合力大，形成高熔點的硫化物，比錳的去硫效果好，消除結(jié)晶裂紋有良好的作用。e)Ti、鋯（Zｒ）和稀土元素34第三十四頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五焊縫成分CSＰＭnSiCrNiAo0.100.0370.0170.940.540.200.87A１0.090.0150.0141.250.440.190.83注：A１焊縫中加入輕稀土１％焊縫成分分析例如：強度為600MPa焊條研究35第三十五頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五焊縫沖擊斷口SEM形貌(a)、(b)、(c)未加入稀土(d)、(e)、(f)加入2%稀土36第三十六頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五

焊縫金屬金相組織a、未加入稀土b、加入2%稀土37第三十七頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五f)鎳焊縫中鎳的加入是為了改善低溫韌性，但它容易和S形成低熔點共晶，而且會呈膜狀分布于晶界，會引起結(jié)晶裂紋。因此需嚴格控制焊縫S、P的含量，同時加入錳、鈦等合金抑制硫的有害作用。38第三十八頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五e)氧

截止到目前為止，還沒有確定的結(jié)論來描述氧對結(jié)晶裂紋的影響，但通過一系列的試驗表明，在焊縫中O↑，降低S的有害作用，初步解釋為氧、硫、鐵能形成Fe-FeS-FeO三元共晶，使FeS由薄膜變成球狀，降低產(chǎn)生裂紋的可能性。通過以上的分析和探討，合金元素對結(jié)晶裂紋的影響非常重要，一般認為C、S、P的影響最大，其次是Cu、Ni、Si、Cr等，而對N、O等的影響還沒有形成統(tǒng)一的意見。39第三十九頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五

為了能夠根據(jù)化學成分來判斷焊接條件下焊縫（或母材）對結(jié)晶裂紋的傾向大小，建立一定的判據(jù)，如：臨界應變增長率（ＣＳＴ）、熱裂紋的敏感系數(shù)（ＨＣＳ）及最大裂紋長度等，但這些判據(jù)都是結(jié)合具體鋼種和試驗條件得到的，有一定的局限性，而且只考慮化學成分的影響是不全面的，只能進行裂紋傾向的相對判斷。焊縫對結(jié)晶裂紋的傾向大小的判據(jù)40第四十頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五

日本JWS臨界應變增長率CSTCST=(-19.2C-97.2S-0.8Cu-1.0Ni+3.9Mn+65.7Nb-618.5B+7.0)*10-4當 時，可以防止裂紋熱裂敏感系數(shù)HCS公式當HCS<4時，可以防止裂紋41第四十一頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五③凝固結(jié)晶組織形態(tài)對結(jié)晶裂紋的影響

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↑。42第四十二頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五—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系為43第四十三頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五④一次結(jié)晶組織形態(tài)及組織對結(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，相變應力↓裂↓44第四十四頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五2)力的因素

在焊接時脆性溫度區(qū)內(nèi)金屬的強度小,在脆性溫度區(qū)內(nèi)金屬所承受的拉伸應力是產(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45第四十五頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五T↑↓T>時，>發(fā)生晶間斷裂當T→時=—稱金屬的等強溫度

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<若焊縫的拉伸應力為，>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46第四十六頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五3、防止結(jié)晶裂紋的措施

1）冶金方面

①控制焊縫中有害雜質(zhì)的含量，限制S、P、C含量，S、P<0.03%-0.04%焊絲C<0.12%(低碳鋼)焊接高合金鋼選用超低碳焊絲②改善焊縫的一次結(jié)晶細化晶粒，加入Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al等47第四十七頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五2)工藝方面（減少拉應力）

a焊接工藝參數(shù)：

b接頭形式：備注：表面堆焊和熔深較淺的對接焊抗裂性高，如圖a，b；熔深較大的對接和各種角接抗裂性較差，如圖c，d，e，f。48第四十八頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五c焊接次序：

↓49第四十九頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五四、近縫區(qū)液化裂紋

液化裂紋是一種沿奧氏體晶界開裂的微裂紋，一般尺寸較小，在0.5㎜以下，特殊情況下達到1㎜。有時液化裂紋還會出現(xiàn)在熔合區(qū)的凹陷區(qū)以及多層焊的層間過熱區(qū)，一般情況下只有在金相磨片做顯微觀察時才能發(fā)現(xiàn)。液化裂紋的尺寸雖然很小，就其本身而言，危害不大，但它常常成為冷裂紋、再熱裂紋、脆性破壞的發(fā)源地，必須引起足夠的重視。50第五十頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五1、

產(chǎn)生部位及原因通常產(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)晶界處存在低熔點雜質(zhì)。2）近縫區(qū)存在晶間液膜(低熔點共晶體)。51第五十一頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五液化裂紋52第五十二頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五3、影響因素

1）化學成分：主要出現(xiàn)在合金元素多的材料中，有害元素B、Ni、Cr。2）工藝因素：焊接線能量不宜過大，同時考慮熔池形狀，倒草帽形不利。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53第五十三頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五五、多邊化裂紋

多邊化裂紋是在形成多邊化的過程中，由于高溫時的塑性低而形成的，又稱高溫低塑性裂紋。

1、形成條件（形成機理）

多數(shù)在焊縫中產(chǎn)生，焊縫金屬結(jié)晶中存在很多高密度的位錯，在高溫和應力的共同作用下，位錯發(fā)生移動和聚集而形成二次邊界，即“多變化邊界”，在冷卻過程中，熱塑性降低導致沿多邊化邊界產(chǎn)生裂紋，即多邊化裂紋。

54第五十四頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五2、多邊化裂紋的主要特點

1）發(fā)生部位與材料主要發(fā)生在焊縫中，個別情況也出現(xiàn)在HAZ區(qū)，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）4）斷口呈現(xiàn)出高溫低塑性斷裂55第五十五頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五3、影響因素1）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，如：Mo、W、Ti、Ta(鉭）等。2）應力狀態(tài)的影響 有應力存在，增加原子的活動性，使多邊化過程加速。3）溫度的影響

在形成多邊化過程的溫度越高所需要的時間越短。本節(jié)結(jié)束56第五十六頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié)焊接冷裂紋

冷裂紋的危害：冷裂紋是焊接結(jié)構(gòu)中生產(chǎn)中較為普遍的一種裂紋，是在焊接后冷卻到較低溫度下產(chǎn)生的。由此帶來的危害性十分嚴重，往往是在使用過程中突然出現(xiàn)的，不僅使焊接結(jié)構(gòu)本身受到損失，更重要的是直接威脅人類的生命，必須予以足夠的重視。一、冷裂紋的危害及一般特征

57第五十七頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五冷裂紋的一般特征：1.產(chǎn)生溫度:在冷卻過程中，Ms點附近或３00～２00℃下溫度區(qū)間逐漸產(chǎn)生的。2.產(chǎn)生的鋼種和部位:發(fā)生在高碳鋼、中碳鋼、低合金、中合金高強鋼的熱影響區(qū)；合金元素含量多的超高強鋼、鈦合金發(fā)生在焊縫上。３.起源：多發(fā)生在有缺口效應和物理化學不均勻的氫聚集地帶。４.裂紋的走向：沿晶、穿晶兩種狀態(tài)５.產(chǎn)生時間:可焊后立即出現(xiàn)，也有的幾小時，天或更長時間，被稱為延遲裂紋。

58第五十八頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五二、冷裂紋種類延遲裂紋是冷裂紋中一種最普遍的形態(tài)，本章以它為例討論低合金高強鋼的延遲裂紋問題。延遲裂紋三種形態(tài)：1）焊趾裂紋2）焊道下裂紋3）根部裂紋59第五十九頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五１）焊趾裂紋：起源與母材與焊縫的交界處，并伴有明顯的應力集中現(xiàn)象，如：咬邊、未焊透等現(xiàn)象，裂紋的走向與焊道平行，由焊趾表面向母材延伸。２）焊道下裂紋：發(fā)生在淬硬傾向較大的、含氫量較高的熱影響區(qū)，裂紋走向與熔合線平行，有時也會出現(xiàn)垂直于熔合線的情況。３）根部裂紋：主要發(fā)生在含氫量高、預熱溫度不足并伴有根部應力集中的部位，可能出現(xiàn)在ＨＡＺ的過熱區(qū)或焊縫金屬中。

實際焊接過程中的延遲裂紋遠不止三種，但以上三種具有非常典型的代表意義。60第六十頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五三、延遲裂紋的機理

大量的實踐和理論研究證明，高強鋼焊接時產(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、焊接接頭的拘束應力。三個因素在一定條件下相互聯(lián)系、相互促進。延遲裂紋的開裂過程存在這兩個不同的階段，即裂紋的起源和裂紋的擴展。我們只從宏觀的角度闡述一下產(chǎn)生延遲裂紋的三要素。61第六十一頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五1、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成分，其次是焊接工藝，還有焊接結(jié)構(gòu)、板厚及冷卻條件等。鋼種淬硬傾向越大，越容易產(chǎn)生裂紋，因此采用高強度鋼構(gòu)造焊接結(jié)構(gòu)就具有一定的局限性，其原因為：1）形成脆硬的馬氏體2）淬硬產(chǎn)生晶格的缺陷

62第六十二頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五淬硬馬氏體的形成：

馬氏體是Ｃ在鐵中的固溶體，Ｃ原子以間隙原子存在于晶格中，在焊接條件下，近縫區(qū)的加熱溫度高，奧氏體晶粒發(fā)生嚴重長大，快速冷卻時，粗大的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮鸟R氏體，馬氏體本身是一種脆硬的組織，發(fā)生斷裂時消耗較低的能量，因此焊接接頭有馬氏體的存在，裂紋易于形成和擴展。尤其當形成孿晶馬氏體后，其硬度更高，脆性更大，對裂紋的敏感性更強。63第六十三頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五淬硬形成的晶格缺陷：

金屬在熱力不平衡的條件下會形成大量的晶格缺陷，主要是空位和位錯，研究表明：隨ＨＡＺ焊接熱應變量的增加，位錯密度也隨之增加，同時由于應力和熱力條件的不平衡，空位和位錯不斷移動和聚集，當數(shù)量達到一定值時，就形成了裂紋源，在應力的繼續(xù)作用下不斷的發(fā)生擴展而形成裂紋。為了識別淬硬的程度，常常用硬度做為標志，用ＨＡＺ的最高硬度Ｈmax評定淬硬傾向。64第六十四頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五2、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或稱氫誘發(fā)裂紋.研究表明：高強鋼焊接接頭的含Ｈ量越高，裂紋的敏感性越大，當局部達到某一值時，就會產(chǎn)生裂紋，此臨界值稱為臨界含氫量，用〔H〕cr表示。鋼中的氫含量分為殘余氫和擴散氫兩部分，一般情況下，殘余氫較少，擴散氫對冷裂紋的產(chǎn)生和擴展起決定性作用。在高溫下大部分擴散氫逸出金屬，不會產(chǎn)生裂紋，只有在較低溫度下擴散氫具有致裂作用。65第六十五頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五對于氫在形成冷裂紋中的作用可以從以下四個方面理解：1）氫的來源及焊縫中的氫含量2）金屬組織對氫擴散的影響3）熱影響區(qū)氫致裂紋產(chǎn)生，氫在致裂過程中的動態(tài)行為4）氫致延遲裂紋開裂機理66第六十六頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五1）氫的來源及焊縫中的氫含量

來源：焊接材料中的水分、焊件坡口處的鐵銹和油污以及環(huán)境濕度等。焊縫中的含氫量與焊條的類型、烘干溫度和焊接冷卻速度有關。67第六十七頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五2）金屬組織對氫擴散的影響

氫在不同組織中的溶解度和擴散系數(shù)不同。在奧氏體中的溶解度大于鐵素體，在鐵素體中的擴散速度大于奧氏體。焊接時在高溫作用下，大量的氫溶解在熔池中，在隨后的冷卻凝固過程中，溶解度急劇下降，氫極力逸出，但因冷卻很快，使氫來不及逸出而保留在焊縫金屬中，焊縫中的氫處于過飽和狀態(tài)。68第六十八頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五3）熱影響區(qū)氫致裂紋產(chǎn)生，氫在

致裂過程中的動態(tài)行為

·含碳量較高的鋼對裂紋和氫脆的敏感性較大，在焊接過程中盡量控制使焊縫金屬的含碳量低于母材，因此對于焊接一般低合金鋼時，延遲裂紋往往出現(xiàn)在熱影響區(qū)。

·在焊接過程中由于熱源的高溫作用，焊縫金屬中溶解了很多的氫，冷卻時又極力進行擴散和逸出，原子氫從焊縫向熱影響區(qū)的擴散的情況可以通過下圖表明。69第六十九頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五F+PAMA裂70第七十頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五4）氫致延遲裂紋開裂機理

在50年對充氫鋼延遲裂紋現(xiàn)象進行研究表明：在拉伸斷裂時存在一個上臨界應力，超過此應力，試件很快斷裂，不存在延遲現(xiàn)象；存在一個下臨界應力，低于此應力時，氫是無害的，無論橫載多久，試件不會斷裂；在上、下臨界應力之間，就會出現(xiàn)氫引起的延遲斷裂，由加載到發(fā)生裂紋之前要經(jīng)過一段潛伏期，然后是裂紋的傳播和斷裂。下圖是延遲裂紋時間與應力的關系

71第七十一頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五72第七十二頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五氫致裂紋目前有幾種說法

①氫的應力擴散理論②空穴氫壓脆化學說

③氫吸附脆化學說73第七十三頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五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74第七十四頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五結(jié)論

氫所誘發(fā)的裂紋，從潛伏、萌生、擴展，以致開裂是具有延遲的特征。從產(chǎn)生第一道開始，不斷的重復發(fā)生，所以說焊接延遲裂紋是由許多單個的微裂紋斷續(xù)合并而形成的宏觀裂紋。75第七十五頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五

3.焊接接頭的拘束應力

1）焊接接頭的拘束應力a.不均勻加熱和冷卻過程產(chǎn)生的熱應力，其大小與母材焊條金屬的熱物理性質(zhì)及結(jié)構(gòu)的剛度有關。b.金屬相變時產(chǎn)生的組織應力—相變，是由組織比容不同而產(chǎn)生的。c.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、構(gòu)件的自重、負載情況等。

76第七十六頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五定義（R）：單位長度焊縫,在焊接接頭根部間隙產(chǎn)生單位長度彈性位移所需要的力。即定義為拘束度。符號：R

2）拘束度：拘束應力的大小取決于拘束

度，表示母材對反作用力的剛度77第七十七頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五公式：

E—母材金屬的彈性模量 —板厚 l—焊縫長度 L—拘束距離

78第七十八頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五3）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-28.21log[[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（S）t100—從熔合區(qū)附近1350℃～100℃實際冷卻時間79第七十九頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五 —合金元素的裂紋敏感指數(shù)（反映了淬硬傾向）四、影響焊接冷裂紋因素及防止

1)鋼種化學成分的影響1、影響因素

冷裂紋判據(jù)應用于 、w—裂紋敏感指數(shù)上述公式是經(jīng)驗式,有一定的適用范圍可參考

確定避免冷裂紋的預熱溫度。80第八十頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五2）拘束應力的影響

拘束應力是焊接時產(chǎn)生裂紋的必備條件，然而正確地估算焊接拘束應力的大小是十分困難的。由于焊接結(jié)構(gòu)的類型很多，各種結(jié)構(gòu)又有不同的板厚、坡口形式和焊接位置，使焊接時產(chǎn)生不同的拘束應力，會形成焊接區(qū)不同的冷裂傾向，工程上常常借助拘束度來求得拘束應力。81第八十一頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五3)氫的有害影響4)工藝影響

焊接線能量：過大，近縫區(qū)晶粒粗大，降低接頭的抗裂性；過小，使HAZ淬硬，不利于氫的逸出，增加冷裂傾向。

預熱；可有效防止冷裂紋，但溫度控制很重要，溫度過高產(chǎn)生附加應力、惡化工作環(huán)境，。

后熱：使擴散氫充分逸出，在一定程度上降低殘余應力的作用，改善組織，降低淬硬性。

多層焊；后層對前層有消氫作用和改善HAZ組織的作用。但應嚴格控制層間溫度。 82第八十二頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五2、防止措施：冶金、工藝兩方面1）冶金措施①從冶煉技術上提高鋼材的品質(zhì)，采用低碳微量多合金元素的強化方式或采用精煉技術降低鋼中的雜質(zhì)。②[H]↓，選用低氫焊接材料，低氫焊接方法如CO2焊等，③控制氫的來源，烘干焊條消理焊件焊絲④加入某些合金元素，提高塑性⑤采用奧氏體焊條焊接某些淬硬傾向較大的低合金高強鋼，避免冷裂紋83第八十三頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五2）工藝措施①選擇合適的焊接線能量，如q↑和V冷↓、使t100↑，減少裂紋但有晶粒粗大現(xiàn)象。②預熱冷卻速度↓，增加[H]外逸。③后熱[H]↓，消氫處理350℃保溫1-2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高溫預熱，采用后熱并配合低溫的預熱特別見效。84第八十四頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五

總結(jié)本節(jié)結(jié)束防止焊接冷裂紋的途徑是多方面的，其中冶金方面的因素占主要地位（鋼種的化學成分、雜質(zhì)及焊接過程中的氫），而焊接工藝也是防止焊接冷裂紋的重要手段，特別是選擇合適的預熱溫度、后熱溫度和降低拘束應力尤其重要。在焊接生產(chǎn)過程中，為防止焊接冷裂紋，一定要嚴格按照焊接工藝規(guī)程執(zhí)行，加強焊接過程的管理，避免出現(xiàn)焊接缺陷，同時嚴格控制焊接時的裝配順序，必要時采用焊接工裝。85第八十五頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五第四節(jié)再熱裂紋

(SR裂紋）

定義：焊后再加熱,消除應力退火,高溫工作時500—600℃過程中產(chǎn)生裂紋稱再熱裂紋。對于一些重要的厚板結(jié)構(gòu)，如：核電站的壓力殼、厚壁容器、潛艇結(jié)構(gòu)等，焊接后進行消除應力熱處理是不可缺少的工序之一，對于沉淀強化的高強鋼或高溫合金，在焊接后不產(chǎn)生裂紋，而在熱處理中或高溫下工作一段時間產(chǎn)生裂紋，如國內(nèi)出現(xiàn)的一些鍋爐汽包爆裂引起的傷亡事故、主蒸汽管道爆裂的事故，多起源于再熱裂紋。86第八十六頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五一、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)，止裂于細晶區(qū)，沿晶間開裂，裂紋大部分是晶間斷裂，沿熔合線方向在奧氏體粗晶粒邊界發(fā)展,裂紋并不是連續(xù)的,而是斷續(xù)的,遇細晶就停止擴展.

2、敏感的溫度范圍:一般在500～700℃,低于500℃或高于700℃,再加熱也不易出現(xiàn)再熱裂紋

87第八十七頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五再熱裂紋88第八十八頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五3、在消除應力處理之前,焊接區(qū)有大量的內(nèi)應力及應變集中出現(xiàn),在大拘束度的厚件或應力集中部位易產(chǎn)生再熱裂紋，應力集中系數(shù)越大，產(chǎn)生再熱裂紋所需的臨界應力越小。

4、易產(chǎn)生在具有沉淀強化作用的鋼材中,產(chǎn)生過程為:晶界滑動→微裂→擴展→裂紋,碳素鋼和固溶強化的金屬材料一般不會產(chǎn)生再熱裂紋.

89第八十九頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五二、產(chǎn)生機理

大量試驗研究表明:再熱裂紋的產(chǎn)生是由晶界優(yōu)先滑動導致微裂而發(fā)生和擴展的.1、一般條件e>ec會產(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：再熱裂紋的臨界塑性變形能力.e實際塑性應變是由接頭的殘余應力經(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。90第九十頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五

上面的理論條件雖然被普遍公認，但對產(chǎn)生再熱裂紋的具體機制存在不同的看法：有人認為晶界弱化是主要的；有人強調(diào)晶內(nèi)強化是主要的。因此對再熱裂紋的解釋也有不同的看法，各自強調(diào)自己試驗范圍內(nèi)的結(jié)論，如：晶界雜質(zhì)析集弱化理論、晶內(nèi)二次強化理論、蠕變開裂理論、回火脆性機理等，對于不同的理論都應有簡單的了解。91第九十一頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五2、再熱裂紋產(chǎn)生機理學說

1）晶界雜質(zhì)析集弱化學說晶界上的雜質(zhì)及析出物會強烈的弱化晶界，使晶界滑動時喪失聚合力，導致晶界脆化，顯著降低晶界的塑性變形能力。

①晶界析集P、S、

②硼化物沿晶析集如果產(chǎn)生再熱裂紋的臨界塑性變形量為ec，可以用下式進行計算:92第九十二頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五

當ec值越小時，再熱裂紋的敏感性越大，而且隨著雜質(zhì)含量的增多，產(chǎn)生再熱裂紋的塑性變形量顯著減小。近年來國內(nèi)也對再熱裂紋的問題進行分析研究，發(fā)現(xiàn)硼化物有沿晶析集的現(xiàn)象，它是導致再熱裂紋敏感性增加和發(fā)生沿晶斷裂的重要原因，即：晶界雜質(zhì)析集與產(chǎn)生再熱裂紋有密切的關系。93第九十三頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五2）二次沉淀理論--晶內(nèi)沉淀強化

①具有沉淀強化的元素②焊接高溫時過熱區(qū)合金元素全部溶入A中，并在A長大.③焊后冷卻速度快，合金元素以過飽和形式溶入在F中，出現(xiàn)在位錯、空位、缺陷等處，實現(xiàn)晶內(nèi)的強化。這時應力產(chǎn)生的變形就集中在晶界。④焊后再加熱時（500--700℃）,當晶界的塑性不足時,就會產(chǎn)生再熱裂紋.94第九十四頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五3）高溫蠕變理論

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：

①材料內(nèi)的應力小于材料的屈服應力②蠕變速度與溫度有關③溫度持久升高、強度下降④高溫下，晶界強度低于晶內(nèi)強度95第九十五頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五分析再熱溫度條件下的蠕變斷裂機制可能會有兩種開裂模型：1.應力集中產(chǎn)生的楔形開裂：根據(jù)晶界粘滯性流動的觀點，認為在蠕變條件下，在發(fā)生松弛的晶粒交界處產(chǎn)生應力集中，當此應力超過晶界的結(jié)合力時，就在此處開裂。2.空穴聚集而產(chǎn)生的空穴開裂：根據(jù)點陣空位在應力和溫度的作用下發(fā)生運動，當空位聚集到與應力方向垂直的晶界上達到足夠數(shù)目時，晶界的結(jié)合面會遭到破壞，在應力繼續(xù)作用下，使之擴大而成為裂紋。96第九十六頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五楔形開裂的應力及臨界應力計算：應力臨界應力：空位聚集而產(chǎn)生的“空位開裂”最小能量計算：97第九十七頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五從目前的關于再熱裂紋的形成機理的研究成果來看，雖然做了大量的研究工作,運用了各種不同的學術理論作為研究的基礎,但很難用統(tǒng)一的觀點來解釋清楚再熱裂紋的產(chǎn)生機理和發(fā)展過程,因此應該考慮綜合因素的作用。目前唯一得到認可的是根據(jù)材料冶金品質(zhì)和應力條件的綜合影響,對于低合金鋼建立了產(chǎn)生再熱裂紋的臨界應力關系式:98第九十八頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五低合金鋼產(chǎn)生再熱裂紋臨界應力關系式產(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99第九十九頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五三、再熱裂紋的影響因素及其防治

影響再熱裂紋的主要因素是鋼種的化學成分和焊接區(qū)的殘余應力。從冶金因素和焊接工藝兩方面加以分析：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)冶金因素

100第一百頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五1.化學成分的影響：隨鋼種和合金的不同而不同。珠光體耐熱鋼中鉻和鉬就相互影響，鉬量增加鉻的影響就越大，當鉬的含量達到一定值后，鉻含量的增加再熱裂紋產(chǎn)生的可能性反而下降。鋼或合金中的雜質(zhì)越多，聚集于晶界使之弱化，增大再熱裂紋傾向，在具體條件下，經(jīng)過系統(tǒng)的實驗可以確定各種雜質(zhì)的臨界含量和相互的制約關系。

目前的研究成果中有許多關于再熱裂紋的參數(shù)公式，以定量計算化學成分對再熱裂紋敏感性的影響，但有一定的缺陷，只能作為初步的評價。101第一百零一頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五2.晶粒度的影響：晶粒越大，產(chǎn)生裂紋的可能性越大。3.焊接接頭不同部位和不同組織的影響：缺陷位于不同位置和組織產(chǎn)生再熱裂紋的情況不同，如：在熱影響區(qū)的過熱區(qū)和完全重結(jié)晶區(qū)，產(chǎn)生的可能性有非常大的區(qū)別；在熔合區(qū)有余高和咬邊的情況下，再熱裂紋的延伸趨勢將發(fā)生變化，具有對缺陷的響應性。102第一百零二頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五（二）焊接工藝因素包含以下五個方面的內(nèi)容：1、焊接材料的影響2、焊接方法和熱輸入的影響3、預熱和后熱的影響4、接頭設計和焊接順序的影響5、焊后熱處理工藝的影響103第一百零三頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五1、焊接材料的影響：選用低匹配的焊接材料，適當降低再熱裂紋產(chǎn)生溫度區(qū)間焊縫金屬的強度，提高其塑性變形能力，可以減輕焊接熱影響區(qū)塑性應變的集中程度，對降低再熱裂紋的敏感性非常有益。在實際生產(chǎn)中可以采用只在焊縫表層焊或其他方法獲得低強度高塑性的焊縫表面，就有一定的好處。2、焊接方法和熱輸入的影響：熱輸入增大會導致晶粒粗化嚴重，再熱裂紋的敏感性增大。不同的焊接方法獲得不同的熱輸入量，對于淬硬傾向大的鋼種，電弧焊比其它焊接方法更有效。104第一百零四頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五3.預熱及后熱的影響：預熱有利于防止再熱裂紋，但溫度應控制在200～450℃并配合后熱才能起到細化晶粒、降低再熱裂紋傾向的作用。4.接頭設計和焊接順序的影響：

接頭的設計必須盡量減小拘束應力，防止產(chǎn)生應力集中；焊接順序可以采取分段對稱焊接、分段退焊等方式，減小焊接殘余應力。5.焊后熱處理工藝的影響：

在改善組織和消除應力的前提下，避開產(chǎn)生再熱裂紋的溫度敏感區(qū)，熱處理前錘擊焊縫表層也有一定作用。本節(jié)結(jié)束105第一百零五頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五第五節(jié)層狀撕裂

在大型的厚壁結(jié)構(gòu)在焊接過程中會沿厚度方向出現(xiàn)較大的拉伸應力，若鋼中含有較多的雜質(zhì)，會沿鋼板的軋制方向出現(xiàn)一種臺階狀的裂紋，稱為層狀撕裂。一般層狀撕裂在鋼的表面很難發(fā)現(xiàn)，即使用超聲波探傷合格的鋼板，在焊接后仍可能會出現(xiàn)層狀撕裂。一、特征及危害性

106第一百零六頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五1、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與大體上垂直于平臺的剪切壁所組成。微觀形狀：掃描電鏡觀察低倍下斷口表面呈典型的木紋狀，是層層平臺在不同高度分布的結(jié)果部位：母材或熱影響區(qū)

107第一百零七頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五2、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)有硅酸鹽或氧化物夾雜物

108第一百零八頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五

種類

據(jù)產(chǎn)生部位分分為三類：

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

第二類是熱影響區(qū)沿夾雜開裂；是工程中最常見的。

第三類遠離熱影響區(qū)母材中沿夾雜開裂MnS片狀夾雜較多的厚板結(jié)構(gòu)中。

109第一百零九頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五

層狀撕裂主要發(fā)生在低合金高強鋼的厚板焊接結(jié)構(gòu)中，一般此類結(jié)構(gòu)多用于海洋采油平臺、核反應堆壓力容器、潛艇外殼等一些重要結(jié)構(gòu)，由于在外觀上沒有任何跡象，無損檢測又很難發(fā)現(xiàn)，即使發(fā)現(xiàn)也很難修復，會造成巨大的經(jīng)濟損失，往往引起災難性的事故。層狀撕裂屬于冷裂紋的范疇，可以在焊接過程中形成，也可在焊接結(jié)束后啟裂和擴展，甚至在使用過程中逐漸形成和發(fā)展，具有一定的延遲性。

110第一百一十頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五二、形成機理及影響因素

(一)層狀撕裂的形成過程1、厚板結(jié)構(gòu)焊接時,特別是T型和角接接頭，在強制剛性拘束條件下，產(chǎn)生較大的Z向應力和應變，當應變達到或超過材料的塑性變形能力之后，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體，形成所謂的“平臺”。111第一百一十一頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五2、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力作用下發(fā)生剪切斷裂，形成“剪切壁“，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。112第一百一十二頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五

從以上的分析可看出：層狀撕裂的根本原因是鋼材中存在較多的夾雜物，而在軋制過程中軋成平行于軋向的帶狀夾雜物，形成了鋼材力學性能的各向異性。試驗表明：沿軋制方向（L向）和厚度方向（Z向）的拉伸試樣，盡管在強度方面相差不大，單在塑性方面（伸長率、收縮率等）有很大的差異，Z向的伸長率要比L向的伸長率低30%-40%，所以承受Z向拉伸應力的焊接結(jié)構(gòu)，很容易沿層狀分布的夾雜處開裂。113第一百一十三頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五(二)影響因素

影響層狀撕裂的因素有以下四個方面：1、非金屬夾雜物的影響2、焊接Z向應力的影響3、氫的作用的影響4、母材性能的影響

114第一百一十四頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五1.非金屬夾雜物的影響非金屬夾雜物的種類、數(shù)量、和分布形態(tài)是產(chǎn)生層狀撕裂的基本原因，是形成鋼種各向異性、力學性能差異的內(nèi)在因素。鋼中常見的夾雜物有硫化物、各種硅酸鹽和鋁酸鹽，其中鋁酸鹽夾雜物呈球形分布，對層狀撕裂的敏感性稍差，而硫化物和硅酸鹽都是呈不規(guī)則的條形分布，對層狀撕裂的敏感性較大。

115第一百一十五頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五一般情況下，夾雜物在鋼中的分布和含量用下面兩個物理量來確定：夾雜物的體積比；試樣中夾雜物的總體積與試樣體積之比。夾雜物的累計長度：單位面積上的夾雜長度總和。實驗表明：Z向的斷面收縮率隨夾雜物的體積比和累計長度的增加而顯著下降。116第一百一十六頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五2.Z向的拘束應力

厚壁的結(jié)構(gòu)在焊接過程中承受不同程度的Z向拘束應力，同時焊接后產(chǎn)生的殘余應力和負載，是形成層狀撕裂的力學條件，大量的試驗證明：在一定焊接條件下，對于不同的鋼種，存在不同的Z向臨界拘束應力，如果焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應力超過了臨界拘束應力，就會產(chǎn)生層狀撕裂。117第一百一十七頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五3.氫的影響一般認為，在焊接熱影響區(qū)附近，由冷裂紋誘發(fā)為層狀撕裂的主要影響因素是氫，因此有的研究人員把層狀撕裂作為冷裂紋的另外一種形態(tài)加以研究，認為其產(chǎn)生的主要原因是由氫引起的，產(chǎn)生的機理與冷裂紋相同。但如果針對遠離熱影響區(qū)的母材處產(chǎn)生的層狀撕裂，焊縫中的氫不起任何作用，所以氫在層狀撕裂中的作用要依據(jù)撕裂產(chǎn)生的位置不同而確定。118第一百一十八頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五4.母材性能的影響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)應變時效，塑性、韌性下降。119第一百一十九頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五三、層狀撕裂的判據(jù)

常用的評定方法有：Z向拉伸斷面收縮率：用于無氫條件下母材的評定。插銷Z向臨界應力：用于有氫條件下焊接熱影響區(qū)的評定。

120第一百二十頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五1.Z向拉伸斷面收縮率為判據(jù)：當板厚≤60㎜時，試樣直徑10㎜；當板厚≥60㎜時，試樣直徑15㎜；斷面收縮率應不小于15%，最好在15%-20%之間，大于25%時，抗層狀撕裂優(yōu)良。2.插銷Z向應力判據(jù)：在大量實驗的基礎上，考慮到含硫量對層狀撕裂的影響，提出裂紋敏感性評定公式，計算公式中包含化學成分裂紋敏感系數(shù)、擴散氫含量、鋼中的硫含量等，但對硅酸鹽、鋁酸鹽的影響作用沒有考慮，具有一定的局限性。121第一百二十一頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五四、防止措施

（一）選擇合適的母材

通過降低鋼中夾雜物的含量和控制夾雜物的形態(tài)，來增加鋼材的抗層狀撕裂的能力。

1.精煉鋼用鐵水先期脫硫的辦法，并采用真空脫氣

（O和N），可冶煉出含S量很低的鋼，提高Z向斷面收

縮率。同時采用向鋼液內(nèi)吹入氬氣、鈣鎂合金化合物

的方式，可以冶煉出高純凈鋼，用在大型重要的焊接

結(jié)構(gòu)上，可以完全解決層狀撕裂問題。

2.控制硫化物夾雜的形態(tài)通過加入鈣和稀土元素把

鋼中的硫化錳變成其它元素的硫化物，減輕各向異性，Z向的斷面收縮率可達50%-70%，足以抗層狀撕裂。

122第一百二十二頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五本節(jié)結(jié)束（二）結(jié)構(gòu)設計和焊接工藝上的措施出發(fā)點：避免Z向應力和減小應力集中。1.改變接頭形式、降低焊接應力，如：單側(cè)焊縫改雙側(cè)焊縫；用對稱焊縫來代替全焊透焊縫；在承受Z向力的一側(cè)開坡口；在T型接頭中預先堆焊合金粉末等;2.預熱及后熱

由于層狀撕裂有時是由冷裂引起的，通過適當提高預熱、控制層間溫度、焊后后熱等方式降低氫含量，降低冷裂傾向。3.選擇合適的焊接方法，采用低氫的焊接方法非常有利

，如：氣體保護焊、埋弧焊等，有利于改善抗層狀撕裂性能。123第一百二十三頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五

再熱裂紋、層狀撕裂其產(chǎn)生和擴展的過程，從某種意義上說和熱裂紋、冷裂紋有相同之處，在焊接學術界也有不同的意見，但它們既有共性也有各自的個性，在防治措施的采用上應本著從材料上控制、從工藝上調(diào)整、從處理上強化、從檢驗把關上的工作程序來保證焊接結(jié)構(gòu)，尤其是重要焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，以確保焊接結(jié)構(gòu)件的安全生產(chǎn)。124第一百二十四頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五第六節(jié)應力腐蝕撕裂(SCC)

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。一、應力腐蝕裂紋的危害

應力腐蝕裂紋已成為工業(yè)中特別是石油化工工業(yè)中最突出的問題，據(jù)統(tǒng)計化工設備中的焊接結(jié)構(gòu)破壞事故主要是由腐蝕而引起的環(huán)境脆化，如：應力腐蝕裂紋、腐蝕疲勞及氫損傷和氫脆等。日本1965～1975十年間化工設備破壞事故統(tǒng)計有50%屬于應力腐蝕開裂，我國1975-1980年20臺球罐事故中40%是由應力腐蝕裂紋造成引起的，危害極大。125第一百二十五頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五二、應力腐蝕裂紋特征

1、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)，而且在焊縫上以近似橫向發(fā)展的裂紋居多，多出現(xiàn)在焊縫，也可出現(xiàn)在熱影響區(qū)。橫斷面看：猶如枯干的樹木的根須，由表面向縱深方向往里發(fā)展，裂口深寬比大到幾十倍至一百倍以上，細長而尖銳，往往存在大量二次裂紋，即帶有多量分支是其典型的特點。斷口看：仍保持金屬光澤為典型脆性斷口，常附有腐蝕產(chǎn)物或氧化現(xiàn)象，斷口呈沿晶或穿晶，有時為混合型斷口。126第一百二十六頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五應力腐蝕裂紋127第一百二十七頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五2、合金與介質(zhì)的組配性

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，腐蝕介質(zhì)和材料有一定的匹配性，即某一合金只有在某些特定的腐蝕環(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100～300℃之間128第一百二十八頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五最易產(chǎn)生應力腐蝕裂紋的合金與介質(zhì)的組配：1.碳鋼、低合金鋼：

海洋大氣及海水、工業(yè)大氣、氨溶液、硝酸鹽水溶液、苛性堿水溶液、含H2S的水溶液、碳酸鹽和重碳酸鹽溶液等。2.奧氏體不銹鋼：氯化物水溶液、海洋氣氛及海水、苛性堿高溫水溶液、含H2S的水溶液、水蒸氣（260℃）、高溫高壓含氧純水、濃縮鍋爐水等。129第一百二十九頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五3.鐵素體不銹鋼：高溫高壓水、H2S的水溶液、海水、海洋氣氛、高溫堿溶液等。4.鋁合金；氯化鈉水溶液、海洋氣氛、海水等。5.黃銅：水蒸氣、氯化鐵、氮、氫、二氧化碳的混合物等。6.鈦合金：硝酸、海水、氟里昂、甲醇、甲醇蒸汽等。7.鎳合金：氟化氫、苛性堿、氟酸鹽等。130第一百三十頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五3、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，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。131第一百三十一頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五二、產(chǎn)生應力腐蝕裂紋的機理

（一）電化學應力腐蝕開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)（合金)，2)腐蝕介質(zhì)，3)臨界拉應力目前常用的解釋理論有三種：132第一百三十二頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五陽極溶解和陰極氫脆應力腐蝕過程在應力作用下，陽極發(fā)生金屬的溶解，金屬以離子狀態(tài)溶入介質(zhì)。電子在金屬內(nèi)部直接從陽極流向陰極，與金屬表面含有氫質(zhì)子的介質(zhì)接觸，形成氫原子，并向金屬中擴散，形成氫脆。133第一百三十三頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五（二）機械破裂應力腐蝕開裂機理

焊接結(jié)構(gòu)件在應力的作用下，會產(chǎn)生不同程度的塑性變形，當變形量大到一定程度時，會產(chǎn)生“滑移臺階”，但目前缺乏對此動態(tài)過程的觀察，當滑移臺階的高度大于氧化膜的厚度時，就會使金屬氧化膜破裂，金屬暴露于表面，在腐蝕介質(zhì)的作用下，金屬很快被溶解，并發(fā)生應力腐蝕裂紋，顯然這種腐蝕開裂是以陽極溶解腐蝕開裂為主，并與滑移臺階的大小有關。焊接接頭各個部位由于組織和晶粒大小的不同，對應力腐蝕裂紋的敏感性也不同，其中以熱影響區(qū)的過熱區(qū)最為敏感。134第一百三十四頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五135第一百三十五頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五（三）應力腐蝕裂紋的擴展機理

應力腐蝕裂紋經(jīng)過裂紋的開始形核、擴展和破裂三個階段。1）孕育期其產(chǎn)生過程同機械破裂應力腐蝕的機理相同。2）擴展階段：腐蝕裂口在介質(zhì)和應力的共同作用下，沿垂直于拉應力的方向向縱深發(fā)展，而且逐步出現(xiàn)分枝，由于結(jié)構(gòu)材質(zhì)、服役環(huán)境和應力狀況的不同，擴展途徑分為三類：136第一百三十六頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五A：由起裂點開始，一直向縱深發(fā)展，只有少量分枝，主要以穿晶形式開裂，發(fā)生在強度較高的不銹鋼和高強鋼。B：由起裂點開始，一直沿橫向發(fā)展，形成樹根狀的密集分枝，可以穿晶形式開裂，主要發(fā)生在強度較低的不銹鋼和對氫敏感的超高強鋼。C:中間類：介于A、B類之間，由起裂點開始，既向深處發(fā)展又向橫向發(fā)展，其行經(jīng)具有沿晶特征，主要發(fā)生在不銹鋼構(gòu)件中。137第一百三十七頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五裂紋擴展的幾種說法

陽極相的沉淀腐蝕介質(zhì)的吸附陰極氫化反應機械化學效應隧洞腐蝕

138第一百三十八頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五3）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。

近年來的研究發(fā)現(xiàn),應力腐蝕裂紋的擴展途徑與結(jié)晶學的晶面有密切的關系,其特征與結(jié)晶裂紋有相似之處,但應力腐蝕裂紋又具有延遲裂紋的特征,其形成和開裂的情況介于冷、熱裂紋之間。139第一百三十九頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五三、應力腐蝕裂紋的影響因素及其防治

應力腐蝕裂紋的影響因素是多方面的，防止途徑可根據(jù)其產(chǎn)生的原因有針對性的進行，我們從以下兩個方面進行分析其影響因素：1.應力的作用2.介質(zhì)的作用140第一百四十頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五1.應力的作用：

拉應力是產(chǎn)生應力腐蝕裂紋的先決條件，壓應力不會產(chǎn)生SCC，在沒有拉應力存在的條件下，可以產(chǎn)生SCC的環(huán)境，只能引起微不足道的一般腐蝕。從最新的統(tǒng)計結(jié)果表明；形成SCC的應力主要是殘余應力，約占80%，其中由焊接引起的殘余應力約占30%，由成形加工（彎曲、矯形、脹管等）引起的殘余應力約占45%，外加應力（承受載荷或熱應力）占20%。141第一百四十一頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五2.介質(zhì)的影響：

介質(zhì)的濃度和溫度對具體合金的影響是不同的。如：碳鋼和低合金鋼在H2S介質(zhì)中將引起應力陰極氫脆開裂，并隨著H2S濃度的增大，臨界應力顯著降低，有水共存時，影響會更嚴重。焊接接頭的SCC臨界應力遠小于相應強度母材的抗拉強度，往往抗拉強度越高，SCC的臨界應力越??；如果用硬度做判據(jù)，也有相同的規(guī)律。在室溫下，SCC傾向最大，溫度降低或升高會使SCC的傾向下降。142第一百四十二頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五應力腐蝕裂紋的防治：從兩個方面進行：設計的合理性和施工質(zhì)量的保證.1.設計的合理性設計在腐蝕介質(zhì)中工作的部件，首先應選擇耐蝕材料，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不同；其次結(jié)構(gòu)和接頭的設計應最大限度地減小應力集中和高應力區(qū)。143第一百四十三頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五

2.施工制造

1）合理選擇焊接材料了解產(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，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)，以便提高耐應力腐蝕開裂的能力。一般使用等化學成分或等組織原則。144第一百四十四頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五2）合理制定裝焊工藝

成形及裝配工藝

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

145第一百四十五頁，共一百六十六頁，編輯于2023年，星期五焊接工藝

基本點，不產(chǎn)生硬化組織，不發(fā)生晶粒嚴重粗化現(xiàn)象,接頭硬度