金属成型7焊接裂纹.pptx

1材料成形原理（焊接部分）材料成形原理（焊接部分）7焊接裂纹焊接裂纹27.1焊接裂纹分类及特征焊接裂纹分类及特征3船舶中部主甲板横向断裂情况船舶中部主甲板横向断裂情况 图1 船舶完全断裂实例1图2 船舶完全断裂实例2焊接裂纹的危害焊接裂纹的危害焊接裂纹的危害焊接裂纹的危害4一一、焊接裂纹的危害、焊接裂纹的危害焊接裂纹对焊接结构的危害有：焊接裂纹对焊接结构的危害有：q减少了焊接接头的工作截面减少了焊接接头的工作截面。因而降低了焊接结构的承载能力。因而降低了焊接结构的承载能力。q造成严重应力集中造成严重应力集中。降低结构的疲劳强度，易引发结构的脆性破坏。降低结构的疲劳强度，易引发结构的脆性破坏。q造成泄漏造成泄漏。高温高压锅炉或压力容器，盛装输送有毒、可燃气体或液体。高温高压锅炉或压力容器，盛装输送有毒、可燃气体或液体的储罐和管道，若有穿透性裂纹，必然发生泄漏，工程上是不允许的。的储罐和管道，若有穿透性裂纹，必然发生泄漏，工程上是不允许的。q加速结构的腐蚀加速结构的腐蚀。表面裂纹能藏垢纳污，容易造成或加速结构的腐蚀。表面裂纹能藏垢纳污，容易造成或加速结构的腐蚀。q留下隐患，使结构不可靠留下隐患，使结构不可靠。延迟裂纹的不定期性，漏检的微裂纹，增加。延迟裂纹的不定期性，漏检的微裂纹，增加了焊接结构使用中的潜在危险。若无法监控便成为极不安全的因素。了焊接结构使用中的潜在危险。若无法监控便成为极不安全的因素。从焊接应用早期从焊接应用早期从焊接应用早期从焊接应用早期(40(40(40(40年代年代年代年代)到近代，国内外屡屡发生由焊接裂纹引起的重到近代，国内外屡屡发生由焊接裂纹引起的重到近代，国内外屡屡发生由焊接裂纹引起的重到近代，国内外屡屡发生由焊接裂纹引起的重大事故。如焊接桥梁坍塌，大型海轮断裂，压力容器爆炸等恶性事故。大事故。如焊接桥梁坍塌，大型海轮断裂，压力容器爆炸等恶性事故。大事故。如焊接桥梁坍塌，大型海轮断裂，压力容器爆炸等恶性事故。大事故。如焊接桥梁坍塌，大型海轮断裂，压力容器爆炸等恶性事故。随着钢铁、石油化工、船舰和电力等工业的发展，焊接结构趋向大型随着钢铁、石油化工、船舰和电力等工业的发展，焊接结构趋向大型随着钢铁、石油化工、船舰和电力等工业的发展，焊接结构趋向大型随着钢铁、石油化工、船舰和电力等工业的发展，焊接结构趋向大型化、大容量和高参数化。恶劣条件下工作时，广泛采用低合金高强度钢，化、大容量和高参数化。恶劣条件下工作时，广泛采用低合金高强度钢，化、大容量和高参数化。恶劣条件下工作时，广泛采用低合金高强度钢，化、大容量和高参数化。恶劣条件下工作时，广泛采用低合金高强度钢，中、高合金钢，超高强度钢，及各种合金材料，而这些材料通常对裂纹十中、高合金钢，超高强度钢，及各种合金材料，而这些材料通常对裂纹十中、高合金钢，超高强度钢，及各种合金材料，而这些材料通常对裂纹十中、高合金钢，超高强度钢，及各种合金材料，而这些材料通常对裂纹十分敏感。这些重大焊接结构发生事故，往往是灾难性的，必须十分重视。分敏感。这些重大焊接结构发生事故，往往是灾难性的，必须十分重视。分敏感。这些重大焊接结构发生事故，往往是灾难性的，必须十分重视。分敏感。这些重大焊接结构发生事故，往往是灾难性的，必须十分重视。5二二、焊接裂纹分类及其一般特征、焊接裂纹分类及其一般特征按按裂裂纹纹形形态态分分类类1 1、焊接裂纹分类、焊接裂纹分类、焊接裂纹分类、焊接裂纹分类(a)焊缝金属中的裂纹焊缝金属中的裂纹 (b)焊接热影响区的裂纹焊接热影响区的裂纹6二二、焊接裂纹分类及其一般特征、焊接裂纹分类及其一般特征按产生裂纹的本质分五类按产生裂纹的本质分五类按产生裂纹的本质分五类按产生裂纹的本质分五类1 1）热裂纹）热裂纹）热裂纹）热裂纹在焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附在焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附在焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附在焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接裂纹叫热裂纹。近的高温区产生的焊接裂纹叫热裂纹。近的高温区产生的焊接裂纹叫热裂纹。近的高温区产生的焊接裂纹叫热裂纹。2 2）冷裂纹）冷裂纹）冷裂纹）冷裂纹焊接接头冷却到较低温度时（对钢来说在焊接接头冷却到较低温度时（对钢来说在焊接接头冷却到较低温度时对钢来说在焊接接头冷却到较低温度时（对钢来说在MsMs温度以下温度以下温度以下温度以下或或或或200 300)200 300)产生的焊接裂纹叫冷裂纹。产生的焊接裂纹叫冷裂纹。产生的焊接裂纹叫冷裂纹。产生的焊接裂纹叫冷裂纹。3 3）再热裂纹）再热裂纹）再热裂纹）再热裂纹焊后焊件在一定温度范围再次加热（消除应力热处焊后焊件在一定温度范围再次加热（消除应力热处焊后焊件在一定温度范围再次加热（消除应力热处焊后焊件在一定温度范围再次加热（消除应力热处理或其他加热过程如多层焊时）而产生的裂纹叫再热裂纹。理或其他加热过程如多层焊时）而产生的裂纹叫再热裂纹。理或其他加热过程如多层焊时）而产生的裂纹叫再热裂纹理或其他加热过程如多层焊时）而产生的裂纹叫再热裂纹。4 4）层状撕裂）层状撕裂）层状撕裂）层状撕裂指焊接时，在焊接构件中沿钢板轧层形成的呈阶梯指焊接时，在焊接构件中沿钢板轧层形成的呈阶梯指焊接时，在焊接构件中沿钢板轧层形成的呈阶梯指焊接时，在焊接构件中沿钢板轧层形成的呈阶梯状裂纹叫层状撕裂。状裂纹叫层状撕裂。状裂纹叫层状撕裂。状裂纹叫层状撕裂。5 5）应力腐蚀裂纹）应力腐蚀裂纹）应力腐蚀裂纹）应力腐蚀裂纹某些焊接结构某些焊接结构某些焊接结构某些焊接结构(如容器和管道等如容器和管道等如容器和管道等如容器和管道等)，在腐蚀介质，在腐蚀介质，在腐蚀介质，在腐蚀介质和应力的共同作用下产生的延迟开裂叫和应力的共同作用下产生的延迟开裂叫和应力的共同作用下产生的延迟开裂叫和应力的共同作用下产生的延迟开裂叫应力腐蚀裂纹。应力腐蚀裂纹。应力腐蚀裂纹。应力腐蚀裂纹。7裂纹分类裂纹分类裂纹分类裂纹分类基本特征基本特征基本特征基本特征敏感的温度敏感的温度敏感的温度敏感的温度区间区间区间区间被焊材料被焊材料被焊材料被焊材料位置位置位置位置裂纹走向裂纹走向裂纹走向裂纹走向热热热热裂裂裂裂纹纹纹纹结晶裂纹结晶裂纹结晶裂纹结晶裂纹在结晶后期在结晶后期在结晶后期在结晶后期,由于低熔共晶形成的液态薄膜消弱了由于低熔共晶形成的液态薄膜消弱了由于低熔共晶形成的液态薄膜消弱了由于低熔共晶形成的液态薄膜消弱了晶粒间的联结晶粒间的联结晶粒间的联结晶粒间的联结,在拉伸应力的作用下发生开裂在拉伸应力的作用下发生开裂在拉伸应力的作用下发生开裂在拉伸应力的作用下发生开裂.在固相温度在固相温度在固相温度在固相温度以上稍高的以上稍高的以上稍高的以上稍高的温度温度温度温度(固液固液固液固液状态状态状态状态)杂质较多的碳钢杂质较多的碳钢杂质较多的碳钢杂质较多的碳钢,低低低低中合金钢中合金钢中合金钢中合金钢,奥氏体钢奥氏体钢奥氏体钢奥氏体钢,镊基合金及铝镊基合金及铝镊基合金及铝镊基合金及铝.焊缝上焊缝上焊缝上焊缝上沿奥氏体沿奥氏体沿奥氏体沿奥氏体晶界晶界晶界晶界多边化裂多边化裂多边化裂多边化裂纹纹纹纹已凝固的结晶前沿已凝固的结晶前沿已凝固的结晶前沿已凝固的结晶前沿,在高温和应力的作用下在高温和应力的作用下在高温和应力的作用下在高温和应力的作用下,晶格晶格晶格晶格缺陷发生移动和聚集缺陷发生移动和聚集缺陷发生移动和聚集缺陷发生移动和聚集,形成二次边界形成二次边界形成二次边界形成二次边界,它在高温处它在高温处它在高温处它在高温处于低塑性状态于低塑性状态于低塑性状态于低塑性状态,在应力作用下产生的裂纹在应力作用下产生的裂纹在应力作用下产生的裂纹在应力作用下产生的裂纹.固相线以下固相线以下固相线以下固相线以下再结晶温度再结晶温度再结晶温度再结晶温度纯金属及单相奥氏纯金属及单相奥氏纯金属及单相奥氏纯金属及单相奥氏体合金体合金体合金体合金焊缝上焊缝上焊缝上焊缝上,少少少少量再热影响量再热影响量再热影响量再热影响区区区区沿奥氏体沿奥氏体沿奥氏体沿奥氏体晶界晶界晶界晶界液化裂纹液化裂纹液化裂纹液化裂纹再焊接热循环峰值温度的作用下再焊接热循环峰值温度的作用下再焊接热循环峰值温度的作用下再焊接热循环峰值温度的作用下,在热影响区和多在热影响区和多在热影响区和多在热影响区和多层焊的层间发生重熔层焊的层间发生重熔层焊的层间发生重熔层焊的层间发生重熔,在应力作用下产生的裂纹在应力作用下产生的裂纹在应力作用下产生的裂纹在应力作用下产生的裂纹固相线以下固相线以下固相线以下固相线以下稍低温度稍低温度稍低温度稍低温度含含含含S,P,CS,P,CS,P,CS,P,C较多的镍铬较多的镍铬较多的镍铬较多的镍铬高强钢高强钢高强钢高强钢,奥氏体钢奥氏体钢奥氏体钢奥氏体钢,镍基钢镍基钢镍基钢镍基钢热影响区及热影响区及热影响区及热影响区及多层焊的层多层焊的层多层焊的层多层焊的层间间间间沿晶界开沿晶界开沿晶界开沿晶界开裂裂裂裂再热裂纹再热裂纹再热裂纹再热裂纹厚板焊接结构消除应力处理过程中厚板焊接结构消除应力处理过程中厚板焊接结构消除应力处理过程中厚板焊接结构消除应力处理过程中,在热影响区的在热影响区的在热影响区的在热影响区的粗晶区存在不同程度的应力集中时粗晶区存在不同程度的应力集中时粗晶区存在不同程度的应力集中时粗晶区存在不同程度的应力集中时,由于应力松弛由于应力松弛由于应力松弛由于应力松弛所产生附加变形大于该部位的蠕变塑性所产生附加变形大于该部位的蠕变塑性所产生附加变形大于该部位的蠕变塑性所产生附加变形大于该部位的蠕变塑性,则发生再则发生再则发生再则发生再热裂纹热裂纹热裂纹热裂纹600700600700600700600700回火处理回火处理回火处理回火处理含有沉淀强化元素含有沉淀强化元素含有沉淀强化元素含有沉淀强化元素的高强钢的高强钢的高强钢的高强钢,珠光体钢珠光体钢珠光体钢珠光体钢,奥氏体钢奥氏体钢奥氏体钢奥氏体钢,镍基合镍基合镍基合镍基合金等金等金等金等热影响区的热影响区的热影响区的热影响区的粗晶区粗晶区粗晶区粗晶区沿晶界开沿晶界开沿晶界开沿晶界开裂裂裂裂冷冷冷冷裂裂裂裂纹纹纹纹延迟裂纹延迟裂纹延迟裂纹延迟裂纹在淬硬组织在淬硬组织在淬硬组织在淬硬组织,氢和拘束应力的共同作用下而产生的氢和拘束应力的共同作用下而产生的氢和拘束应力的共同作用下而产生的氢和拘束应力的共同作用下而产生的具有延迟特性的裂纹具有延迟特性的裂纹具有延迟特性的裂纹具有延迟特性的裂纹在在在在MsMsMsMs点以下点以下点以下点以下中中中中,高碳钢高碳钢高碳钢高碳钢,低中合低中合低中合低中合金钢金钢金钢金钢,钛合金等钛合金等钛合金等钛合金等热影响区热影响区热影响区热影响区,少量在焊缝少量在焊缝少量在焊缝少量在焊缝沿晶或穿沿晶或穿沿晶或穿沿晶或穿晶晶晶晶淬硬脆化淬硬脆化淬硬脆化淬硬脆化裂纹裂纹裂纹裂纹主要是由淬硬组织主要是由淬硬组织主要是由淬硬组织主要是由淬硬组织,在焊接应力的作用下产生的裂在焊接应力的作用下产生的裂在焊接应力的作用下产生的裂在焊接应力的作用下产生的裂纹纹纹纹MsMsMsMs附近附近附近附近含碳的含碳的含碳的含碳的NiCrMoNiCrMoNiCrMoNiCrMo钢钢钢钢,马马马马氏体不锈钢氏体不锈钢氏体不锈钢氏体不锈钢,工具钢工具钢工具钢工具钢热影响区热影响区热影响区热影响区,少量在焊缝少量在焊缝少量在焊缝少量在焊缝沿晶或穿沿晶或穿沿晶或穿沿晶或穿晶晶晶晶低塑性脆低塑性脆低塑性脆低塑性脆化裂纹化裂纹化裂纹化裂纹在较低温度下在较低温度下在较低温度下在较低温度下,由于被焊材料的收缩应变由于被焊材料的收缩应变由于被焊材料的收缩应变由于被焊材料的收缩应变,超过了超过了超过了超过了材料本身的塑性储备而产生的裂纹材料本身的塑性储备而产生的裂纹材料本身的塑性储备而产生的裂纹材料本身的塑性储备而产生的裂纹在在在在400400400400以以以以下下下下铸铁铸铁铸铁铸铁,堆焊硬质合金堆焊硬质合金堆焊硬质合金堆焊硬质合金热影响区及热影响区及热影响区及热影响区及焊缝焊缝焊缝焊缝沿晶及穿沿晶及穿沿晶及穿沿晶及穿晶晶晶晶层状裂纹层状裂纹层状裂纹层状裂纹主要是由于钢板的内部存在有分层的夹杂物主要是由于钢板的内部存在有分层的夹杂物主要是由于钢板的内部存在有分层的夹杂物主要是由于钢板的内部存在有分层的夹杂物(沿轧沿轧沿轧沿轧制方向制方向制方向制方向),),),),在焊接产生的垂直于轧制方向的应力在焊接产生的垂直于轧制方向的应力在焊接产生的垂直于轧制方向的应力在焊接产生的垂直于轧制方向的应力,致致致致使在热影响区或稍远的地方使在热影响区或稍远的地方使在热影响区或稍远的地方使在热影响区或稍远的地方,产生产生产生产生”台阶台阶台阶台阶”式层状式层状式层状式层状开裂开裂开裂开裂在在在在400400400400以以以以下下下下含有杂质的低合金含有杂质的低合金含有杂质的低合金含有杂质的低合金高强钢厚板结构高强钢厚板结构高强钢厚板结构高强钢厚板结构热影响区附热影响区附热影响区附热影响区附近近近近穿晶或沿穿晶或沿穿晶或沿穿晶或沿晶晶晶晶应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹(SCC)(SCC)(SCC)(SCC)某些焊接结构某些焊接结构某些焊接结构某些焊接结构(如容器和管道等如容器和管道等如容器和管道等如容器和管道等),),),),在腐蚀介质和应在腐蚀介质和应在腐蚀介质和应在腐蚀介质和应力的共同作用下产生的延迟开裂力的共同作用下产生的延迟开裂力的共同作用下产生的延迟开裂力的共同作用下产生的延迟开裂任何工作温任何工作温任何工作温任何工作温度度度度碳钢碳钢碳钢碳钢,低合金钢低合金钢低合金钢低合金钢,不不不不锈钢锈钢锈钢锈钢,铝合金等铝合金等铝合金等铝合金等焊缝和热影焊缝和热影焊缝和热影焊缝和热影响区响区响区响区沿晶或穿沿晶或穿沿晶或穿沿晶或穿晶开裂晶开裂晶开裂晶开裂87.2焊接热裂纹焊接热裂纹9热裂纹的特征热裂纹的特征热裂纹的特征热裂纹的特征温度：温度：温度：温度：固相线附近的高温区固相线附近的高温区固相线附近的高温区固相线附近的高温区部位：部位：部位：部位：焊缝为主，有时出现在热影响区焊缝为主，有时出现在热影响区焊缝为主，有时出现在热影响区焊缝为主，有时出现在热影响区特征：特征：特征：特征：宏观看宏观看,沿焊缝的轴向成纵向分布（连续或继续）也可看到沿焊缝的轴向成纵向分布（连续或继续）也可看到横向裂纹，裂口均有较明显的横向裂纹，裂口均有较明显的氧化色彩氧化色彩，表面，表面无光泽无光泽；微观看，沿晶粒边界（包括亚晶界）分布，属于微观看，沿晶粒边界（包括亚晶界）分布，属于沿晶断裂沿晶断裂性性质质热裂纹是比较常见的一种焊接缺陷，从一般常用的低碳钢、低合金热裂纹是比较常见的一种焊接缺陷，从一般常用的低碳钢、低合金热裂纹是比较常见的一种焊接缺陷，从一般常用的低碳钢、低合金热裂纹是比较常见的一种焊接缺陷，从一般常用的低碳钢、低合金钢，到奥氏体不锈钢、铝合金和镍基合金等都有产生热裂纹的可能。钢，到奥氏体不锈钢、铝合金和镍基合金等都有产生热裂纹的可能。钢，到奥氏体不锈钢、铝合金和镍基合金等都有产生热裂纹的可能。钢，到奥氏体不锈钢、铝合金和镍基合金等都有产生热裂纹的可能。一、焊接热裂纹的分类及特征一、焊接热裂纹的分类及特征10热裂纹可分为热裂纹可分为热裂纹可分为热裂纹可分为结晶裂纹结晶裂纹结晶裂纹结晶裂纹、高温液化裂纹高温液化裂纹高温液化裂纹高温液化裂纹和和和和多边化裂纹多边化裂纹多边化裂纹多边化裂纹：1 1 1 1）结晶裂纹）结晶裂纹）结晶裂纹）结晶裂纹金属凝固的末期，在固相线附近，因晶间残存液膜金属凝固的末期，在固相线附近，因晶间残存液膜金属凝固的末期，在固相线附近，因晶间残存液膜金属凝固的末期，在固相线附近，因晶间残存液膜不足，在应力作用下发生的晶间开裂现象，称为结晶裂纹或不足，在应力作用下发生的晶间开裂现象，称为结晶裂纹或不足，在应力作用下发生的晶间开裂现象，称为结晶裂纹或不足，在应力作用下发生的晶间开裂现象，称为结晶裂纹或凝固凝固凝固凝固裂纹裂纹裂纹裂纹。2 2 2 2）液化裂纹）液化裂纹）液化裂纹）液化裂纹近缝区或焊缝层间金属含有低熔点化合物，焊接加近缝区或焊缝层间金属含有低熔点化合物，焊接加近缝区或焊缝层间金属含有低熔点化合物，焊接加近缝区或焊缝层间金属含有低熔点化合物，焊接加热时重新熔化，在收缩应力作用下热时重新熔化，在收缩应力作用下热时重新熔化，在收缩应力作用下热时重新熔化，在收缩应力作用下,沿奥氏体晶间发生的开裂现象，沿奥氏体晶间发生的开裂现象，沿奥氏体晶间发生的开裂现象，沿奥氏体晶间发生的开裂现象，称为液化裂纹。称为液化裂纹。称为液化裂纹。称为液化裂纹。3 3 3 3）多边化裂纹）多边化裂纹）多边化裂纹）多边化裂纹焊接时焊缝或近缝区在固相线稍下的高温区间，焊接时焊缝或近缝区在固相线稍下的高温区间，焊接时焊缝或近缝区在固相线稍下的高温区间，焊接时焊缝或近缝区在固相线稍下的高温区间，存在晶格缺陷存在晶格缺陷存在晶格缺陷存在晶格缺陷(位错和空位位错和空位位错和空位位错和空位)及严重的物理化学不均匀性及严重的物理化学不均匀性及严重的物理化学不均匀性及严重的物理化学不均匀性,在应力作在应力作在应力作在应力作用下用下用下用下,缺陷聚集形成多边化边界缺陷聚集形成多边化边界缺陷聚集形成多边化边界缺陷聚集形成多边化边界,使强度塑性下降使强度塑性下降使强度塑性下降使强度塑性下降,沿多边化边界开沿多边化边界开沿多边化边界开沿多边化边界开裂现象称为多边化裂纹，又称裂现象称为多边化裂纹，又称裂现象称为多边化裂纹，又称裂现象称为多边化裂纹，又称高温失延裂纹高温失延裂纹高温失延裂纹高温失延裂纹。前两种为前两种为前两种为前两种为与液膜有关的裂纹与液膜有关的裂纹与液膜有关的裂纹与液膜有关的裂纹，后一种为，后一种为，后一种为，后一种为与液膜无关的与液膜无关的与液膜无关的与液膜无关的裂纹裂纹裂纹裂纹。一、焊接热裂纹的分类及特征一、焊接热裂纹的分类及特征11HAZ液化裂纹晶间裂纹多边化裂纹一、焊接热裂纹的分类及特征一、焊接热裂纹的分类及特征12 液态金属液态金属液态金属液态金属凝固结晶凝固结晶凝固结晶凝固结晶液固状态液固状态固液状态固液状态偏析偏析低熔点共晶低熔点共晶液态薄膜液态薄膜脆性温脆性温度区间度区间凝固收缩凝固收缩应力与应变应力与应变拘束拘束凝固凝固裂纹裂纹二、结晶裂纹的形成机理二、结晶裂纹的形成机理13结结晶晶裂裂纹纹二、结晶裂纹的形成机理二、结晶裂纹的形成机理141 1、产生结晶裂纹的原因、产生结晶裂纹的原因、产生结晶裂纹的原因、产生结晶裂纹的原因 “液态薄膜液态薄膜液态薄膜液态薄膜”内因内因内因内因先结晶的金属较纯，后结晶的金属先结晶的金属较纯，后结晶的金属先结晶的金属较纯后结晶的金属先结晶的金属较纯，后结晶的金属含杂质较多，形成含杂质较多，形成含杂质较多，形成含杂质较多，形成低熔点的共晶物低熔点的共晶物低熔点的共晶物低熔点的共晶物（如当（如当（如当（如当焊缝硫含量偏高时，焊缝硫含量偏高时，焊缝硫含量偏高时，焊缝硫含量偏高时，Fe+FeSFe+FeSFe+FeSFe+FeS共晶物，熔点共晶物，熔点共晶物，熔点共晶物，熔点为为为为988988988988）。焊缝金属凝固后期，低熔点共）。焊缝金属凝固后期，低熔点共）。焊缝金属凝固后期，低熔点共）。焊缝金属凝固后期，低熔点共晶被排挤在柱状晶体交遇的中心部位，形晶被排挤在柱状晶体交遇的中心部位，形晶被排挤在柱状晶体交遇的中心部位，形晶被排挤在柱状晶体交遇的中心部位，形成一种所谓的成一种所谓的成一种所谓的成一种所谓的“液态薄膜液态薄膜液态薄膜液态薄膜”。拉伸应力拉伸应力拉伸应力拉伸应力外因外因外因外因 冷却时，焊缝金属的收缩受到周围冷却时，焊缝金属的收缩受到周围冷却时，焊缝金属的收缩受到周围冷却时，焊缝金属的收缩受到周围结构的拘束，在焊缝上会受到结构的拘束，在焊缝上会受到结构的拘束，在焊缝上会受到结构的拘束，在焊缝上会受到拉伸应力拉伸应力拉伸应力拉伸应力。二、结晶裂纹的形成机理二、结晶裂纹的形成机理151 1 1 1）液固阶段）液固阶段）液固阶段）液固阶段 结晶的前期，固态金属少，液态金属多，相邻结晶的前期固态金属少，液态金属多，相邻结晶的前期，固态金属少，液态金属多，相邻结晶的前期，固态金属少，液态金属多，相邻晶粒之间不发生接触，液态金属可在晶粒之间流动。晶粒之间不发生接触，液态金属可在晶粒之间流动。晶粒之间不发生接触，液态金属可在晶粒之间流动。晶粒之间不发生接触，液态金属可在晶粒之间流动。此时，若有拉伸应力存在，被拉开的缝隙能及此时，若有拉伸应力存在，被拉开的缝隙能及此时，若有拉伸应力存在，被拉开的缝隙能及此时，若有拉伸应力存在，被拉开的缝隙能及时地由流动着的液态金属填满，因此在此阶段不会产时地由流动着的液态金属填满，因此在此阶段不会产时地由流动着的液态金属填满，因此在此阶段不会产时地由流动着的液态金属填满，因此在此阶段不会产生裂纹。生裂纹。生裂纹。生裂纹。2 2 2 2）固液阶段）固液阶段）固液阶段）固液阶段 随结晶过程的继续进行，固相不断增多，且彼此随结晶过程的继续进行，固相不断增多，且彼此随结晶过程的继续进行，固相不断增多，且彼此随结晶过程的继续进行，固相不断增多，且彼此相互倾扎在一起，液态金属流动困难，即熔池结晶进相互倾扎在一起，液态金属流动困难，即熔池结晶进相互倾扎在一起，液态金属流动困难，即熔池结晶进相互倾扎在一起，液态金属流动困难，即熔池结晶进入了固液阶段。入了固液阶段。入了固液阶段。入了固液阶段。此时由于液态金属少，若拉伸应力产生的缝隙不此时由于液态金属少，若拉伸应力产生的缝隙不此时由于液态金属少，若拉伸应力产生的缝隙不此时由于液态金属少，若拉伸应力产生的缝隙不能由液相填充时，就会产生裂纹，故把这个阶段叫作能由液相填充时，就会产生裂纹，故把这个阶段叫作能由液相填充时，就会产生裂纹，故把这个阶段叫作能由液相填充时，就会产生裂纹，故把这个阶段叫作“脆性温度区脆性温度区脆性温度区脆性温度区”，即图中，即图中，即图中，即图中abababab之间的温度区间之间的温度区间之间的温度区间之间的温度区间T T T TB B B B 。3 3 3 3）完全凝固阶段）完全凝固阶段）完全凝固阶段）完全凝固阶段 熔池金属完全凝固，有较好的强度和塑性，熔池金属完全凝固，有较好的强度和塑性，熔池金属完全凝固，有较好的强度和塑性，熔池金属完全凝固，有较好的强度和塑性，一般不会产生裂纹。一般不会产生裂纹。一般不会产生裂纹。一般不会产生裂纹。二、结晶裂纹的形成机理二、结晶裂纹的形成机理金属凝固过程中的脆性温度区金属凝固过程中的脆性温度区TL液相线液相线 TS固相线固相线 TB脆性温度区脆性温度区THTB上限上限 TSTB下限下限塑塑性性TBTS TLTHTSab温度温度T固相固相固液固液液固液固液相液相2 2、焊缝凝固过程中经历的阶段焊缝凝固过程中经历的阶段163 3 3 3、产生结晶裂纹的条件、产生结晶裂纹的条件、产生结晶裂纹的条件、产生结晶裂纹的条件 minmin 结晶裂纹产生倾向：结晶裂纹产生倾向：结晶裂纹产生倾向：结晶裂纹产生倾向：脆性温度区脆性温度区脆性温度区脆性温度区T T T TB B B B ：T T T TB B B B越大，拉应力作用时间长，应变越大，裂越大，拉应力作用时间长，应变越大，裂越大，拉应力作用时间长，应变越大，裂越大，拉应力作用时间长，应变越大，裂纹倾向大。纹倾向大。纹倾向大。纹倾向大。T T T TB B B B内金属的塑性内金属的塑性内金属的塑性内金属的塑性：塑性越小，越易产生裂纹。塑性越小，越易产生裂纹。塑性越小，越易产生裂纹。塑性越小，越易产生裂纹。T T T TB B B B内的应变增长率内的应变增长率内的应变增长率内的应变增长率：随温度下降，应变增长率越大，越易产生裂纹。随温度下降，应变增长率越大，越易产生裂纹。随温度下降，应变增长率越大，越易产生裂纹。随温度下降，应变增长率越大，越易产生裂纹。二、结晶裂纹的形成机理二、结晶裂纹的形成机理产生凝固裂纹的条件产生凝固裂纹的条件应变应变 塑性塑性 TL液相线液相线 TS固相线固相线TB脆性温度区脆性温度区 THTB上限上限 TSTB下限下限TB,T/TLTHTSTSmin123 f(T)(T)17三三、影响热裂纹倾向的因素、影响热裂纹倾向的因素1 1 1 1、冶金因素、冶金因素、冶金因素、冶金因素（1 1 1 1）结晶温度区间）结晶温度区间）结晶温度区间）结晶温度区间当合金元素含量小时，随含量增加，结当合金元素含量小时，随含量增加，结晶温度区增大，裂纹倾向增大；晶温度区增大，裂纹倾向增大；当合金元素含量等于当合金元素含量等于S S点时，裂纹倾向点时，裂纹倾向最大；最大；当合金元素含量大于当合金元素含量大于S S点时，随含量增点时，随含量增大，结晶温度区间减小，裂纹倾向减小。大，结晶温度区间减小，裂纹倾向减小。因为当含量多时，低熔共晶较多，可以因为当含量多时，低熔共晶较多，可以自由流动反而不产生裂纹，这种作用称自由流动反而不产生裂纹，这种作用称为为“愈合作用愈合作用”裂裂纹纹倾倾向向/%温温度度/冶金因素冶金因素冶金因素冶金因素、力学因素力学因素力学因素力学因素两方面两方面两方面两方面凝固温度区与裂纹倾向的关系凝固温度区与裂纹倾向的关系 实线实线平衡状态平衡状态 虚线虚线非平衡状态非平衡状态18三三、影响热裂纹倾向的因素、影响热裂纹倾向的因素合金状态图的类型合金状态图的类型合金状态图的类型合金状态图的类型裂纹倾向随凝固温度区（脆性温度区）的增大而增大裂纹倾向随凝固温度区（脆性温度区）的增大而增大裂纹倾向随凝固温度区（脆性温度区）的增大而增大裂纹倾向随凝固温度区（脆性温度区）的增大而增大 二元合金相图与凝固裂纹倾向的关系二元合金相图与凝固裂纹倾向的关系a）完全互溶）完全互溶 b）有限固溶）有限固溶 c）机械混合物）机械混合物 d）完全不固溶完全不固溶虚线凝固裂纹倾向的变化虚线凝固裂纹倾向的变化a）b）c）d）19三、影响热裂纹倾向的因素三、影响热裂纹倾向的因素(2)(2)(2)(2)合金元素及杂质合金元素及杂质合金元素及杂质合金元素及杂质 S S S S、P P P PS S、P P增加结晶温度区间增加结晶温度区间,脆性温脆性温度区间度区间T TB B，裂纹倾向，裂纹倾向。S S、P P产生产生低温共晶低温共晶,使结晶过程使结晶过程中极易形成液态薄膜中极易形成液态薄膜,因而显著因而显著增大裂纹倾向增大裂纹倾向S S、P P引起成分偏析。引起成分偏析。偏析系数偏析系数K K越大越大,偏析的程度越严偏析的程度越严重。偏析可能在钢的局部地方形重。偏析可能在钢的局部地方形成低熔点共晶产生裂纹。成低熔点共晶产生裂纹。元素元素元素元素S SP PWWV VSiSiMoMoCrCrMnMnNiNiK K2002001501506060555540404040202015155 5钢中各元素的偏析系数钢中各元素的偏析系数K20三三、影响热裂纹倾向的因素、影响热裂纹倾向的因素 C C碳是钢中必不可少的元素，但在焊碳是钢中必不可少的元素，但在焊碳是钢中必不可少的元素，但在焊碳是钢中必不可少的元素，但在焊接时也是提高结晶裂纹敏感性的主接时也是提高结晶裂纹敏感性的主接时也是提高结晶裂纹敏感性的主接时也是提高结晶裂纹敏感性的主要元素。碳不仅本身会造成不利影要元素。碳不仅本身会造成不利影要元素。碳不仅本身会造成不利影要元素。碳不仅本身会造成不利影响，而且促使硫、磷的有害作用加响，而且促使硫、磷的有害作用加响，而且促使硫、磷的有害作用加响，而且促使硫、磷的有害作用加剧。剧。剧。剧。qC0.16%Mn/S无效无效,加剧加剧P有害作有害作用，用，裂纹裂纹倾向倾向qC0.51%初生相为初生相为，初生相，初生相变变为为，S、P在在相中溶解度低，析出相中溶解度低，析出S、P集富在晶界上，裂纹集富在晶界上，裂纹倾向倾向 21要求要求要求要求:qc0.10%时，时，Mn/S22qc0.10%0.125%时，时，Mn/S30qc0.126%0.155%时，时，Mn/S59cc超过超过超过超过0.16%(0.16%(包晶成分包晶成分包晶成分包晶成分)时时时时,磷的危害超过硫，增磷的危害超过硫，增磷的危害超过硫，增磷的危害超过硫，增加加加加Mn/SMn/S对防止结晶裂纹对防止结晶裂纹对防止结晶裂纹对防止结晶裂纹无意义。无意义。无意义。无意义。三三、影响热裂纹倾向的因素、影响热裂纹倾向的因素 Mn Mn 锰具有脱硫作用，置换锰具有脱硫作用，置换锰具有脱硫作用，置换锰具有脱硫作用，置换FeSFeS为为为为MnSMnS，同时能改善硫化物的分布形态，使薄膜状，同时能改善硫化物的分布形态，使薄膜状，同时能改善硫化物的分布形态，使薄膜状，同时能改善硫化物的分布形态，使薄膜状FeSFeS改变为球状分布，防止裂纹。改变为球状分布，防止裂纹。改变为球状分布，防止裂纹。改变为球状分布，防止裂纹。22 Si Si硅是硅是硅是硅是 相形成元素，相形成元素，相形成元素，相形成元素，相中相中相中相中S S、P P溶解度大，利于消除结晶裂纹。但溶解度大，利于消除结晶裂纹。但溶解度大，利于消除结晶裂纹。但溶解度大，利于消除结晶裂纹。但Si0.4%Si0.4%易形成低熔点的硅酸盐夹杂，使裂纹倾向增大。易形成低熔点的硅酸盐夹杂，使裂纹倾向增大。易形成低熔点的硅酸盐夹杂，使裂纹倾向增大。易形成低熔点的硅酸盐夹杂，使裂纹倾向增大。钛（钛（钛（钛（TiTi）、）、）、）锆（锆（锆（锆（ZrZr）和稀土元素）和稀土元素）和稀土元素）和稀土元素对硫的亲合力大，形成高熔点的硫化物。对硫的亲合力大，形成高熔点的硫化物。对硫的亲合力大，形成高熔点的硫化物。对硫的亲合力大，形成高熔点的硫化物。如：如：如：如：TiSTiS（2000200021002100）、）、）、）、ZrSZrS（21002100）、）、）、）、铈铈铈铈CeSCeS（24502450）比锰效果好比锰效果好比锰效果好比锰效果好MnSMnS（2000200021002100），对消除结晶裂纹有良好的作用。），对消除结晶裂纹有良好的作用。），对消除结晶裂纹有良好的作用。），对消除结晶裂纹有良好的作用。OO氧、硫、铁能形成氧、硫、铁能形成氧、硫、铁能形成氧、硫、铁能形成Fe-FeS-FeOFe-FeS-FeO三元共晶，使三元共晶，使三元共晶，使三元共晶，使FeSFeS由薄膜变成球状，由薄膜变成球状，由薄膜变成球状，由薄膜变成球状，使裂纹倾向使裂纹倾向使裂纹倾向使裂纹倾向降低降低降低降低。三、影响热裂纹倾向的因素三、影响热裂纹倾向的因素球状球状 裂纹倾向增加裂纹倾向增加 薄模状薄模状23热裂纹倾向判据：热裂纹倾向判据：热裂纹倾向判据：热裂纹倾向判据：如：日本如：日本如：日本如：日本JWSJWS用用用用HT100HT100低合金钢得到的临界应变增长率低合金钢得到的临界应变增长率低合金钢得到的临界应变增长率低合金钢得到的临界应变增长率CSTCSTCSTCST(19.2C19.2C97.2S97.2S0.8Cu0.8Cu1.0Ni1.0Ni3.9Mn3.9Mn65.7Nb65.7Nb618.5B618.5B7.0)107.0)10-4-4 当当当当CST 6.510CST 6.510-4-4时，可防止裂纹。时，可防止裂纹。时，可防止裂纹。时，可防止裂纹。如：对于低合金高强钢如：对于低合金高强钢,热裂敏感系数热裂敏感系数HCS公式公式当当HCS4时，可以防止裂纹时，可以防止裂纹三、影响热裂纹倾向的因素三、影响热裂纹倾向的因素24（3 3 3 3）一次结晶组织形态）一次结晶组织形态）一次结晶组织形态）一次结晶组织形态及组织及组织及组织及组织q晶粒大小：晶粒粗大，裂晶粒大小：晶粒粗大，裂纹倾向增加纹倾向增加q形态和方向：柱状晶的方形态和方向：柱状晶的方向越明显，裂纹倾向越大向越明显，裂纹倾向越大q初生相：由初生相：由变为变为相或相或+相，裂纹倾向相，裂纹倾向三三、影响热裂纹倾向的因素、影响热裂纹倾向的因素相在奥氏体基底上的分布相在奥氏体基底上的分布a）单相奥氏体）单相奥氏体 b）奥氏体奥氏体奥氏体奥氏体铁素体铁素体液态薄液态薄膜膜a)b)如向金属液中加入某些合金元素（如如向金属液中加入某些合金元素（如如向金属液中加入某些合金元素（如如向金属液中加入某些合金元素（如TiTi、MoMo、V V、NbNb等）可使晶等）可使晶等）可使晶等）可使晶粒细化，这不仅破坏了液态薄膜的连续性，也打乱了枝晶的方向粒细化，这不仅破坏了液态薄膜的连续性，也打乱了枝晶的方向粒细化，这不仅破坏了液态薄膜的连续性，也打乱了枝晶的方向粒细化，这不仅破坏了液态薄膜的连续性，也打乱了枝晶的方向性，从而提高了金属的抗裂性能。性，从而提高了金属的抗裂性能。性，从而提高了金属的抗裂性能。性，从而提高了金属的抗裂性能。252 2、力学因素力学因素力学因素力学因素q必要条件：脆性温度区宽及塑性低必要条件：脆性温度区宽及塑性低q充分条件：塑性充分条件：塑性pp焊缝宽度，焊缝宽度，b w，所以，所以Sb；q对于两端固定的对接接头，拉伸拘束对于两端固定的对接接头，拉伸拘束度度RF可用下式表示可用下式表示：R RF FEEL L43由由由由R RF FEEL L可知：可知：可知：可知：L越小或越小或E越大时，拘束度越大时，拘束度R越大。越大。而而R增大时，产生的拘束应力也相应增大。增大时，产生的拘束应力也相应增大。R增大到一定程度，便会产生裂纹。增大到一定程度，便会产生裂纹。临界拘束度临界拘束度临界拘束度临界拘束度R Rcrcr 通常把开始产生裂纹的最小拘束度称为临界拘通常把开始产生裂纹的最小拘束度称为临界拘通常把开始产生裂纹的最小拘束度称为临界拘通常把开始产生裂纹的最小拘束度称为临界拘束度。束度。束度。束度。Rcr越大，接头的越大，接头的 抗裂性越强。抗裂性越强。二、二、延迟裂纹延迟裂纹的影响因素的影响因素44拘束度与拘束应力的关系：拘束度与拘束应力的关系：拘束度与拘束应力的关系：拘束度与拘束应力的关系：=mR=mR m拘束应力转换系数，与钢的线胀系数、力学熔点、拘束应力转换系数，与钢的线胀系数、力学熔点、比热容及接头坡口角度有关。比热容及接头坡口角度有关。低合金高强度钢焊条电弧焊时，低合金高强度钢焊条电弧焊时，m约为约为(35)10-2。临界拘束应力临界拘束应力临界拘束应力临界拘束应力 crcr开始产生裂纹时的拘束应力。开始产生裂纹时的拘束应力。开始产生裂纹时的拘束应力。开始产生裂纹时的拘束应力。冷裂纹产生的临界应力经验公式冷裂纹产生的临界应力经验公式冷裂纹产生的临界应力经验公式冷裂纹产生的临界应力经验公式日本日本日本日本ILILILIL委员会利用插销试验建立的经验公式委员会利用插销试验建立的经验公式委员会利用插销试验建立的经验公式委员会利用插销试验建立的经验公式二、二、延迟裂纹延迟裂纹的影响因素的影响因素45三、延迟裂纹的开裂机理三、延迟裂纹的开裂机理6060年代，年代，年代，年代，CH.ZapheCH.Zaphe和和和和A.R.TroianoA.R.Troiano提出的提出的提出的提出的“氢氢氢氢的应力诱导扩散理论的应力诱导扩散理论的应力诱导扩散理论的应力诱导扩散理论”，该理论认为：该理论认为：，该理论认为：，该理论认为：q金属内部存在的缺陷（如微空穴、微夹杂物、晶格缺金属内部存在的缺陷（如微空穴、微夹杂物、晶格缺陷等）提供了潜在的裂纹源。在焊接应力、相变应力陷等）提供了潜在的裂纹源。在焊接应力、相变应力作用下，这些缺陷的前沿会形成有应力集中的三向应作用下，这些缺陷的前沿会形成有应力集中的三向应力区，诱使氢向高应力区扩散，并发生聚集。力区，诱使氢向高应力区扩散，并发生聚集。q随着氢含量的增加，缺陷处应力不断增大，其脆性也随着氢含量的增加，缺陷处应力不断增大，其脆性也因位错移动受阻而增加。当氢的含量达到临界值时，因位错移动受阻而增加。当氢的含量达到临界值时，缺陷部位便会发