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 有某些沉淀強化合金元素的鋼材的厚板焊接結構在進行消除應力熱處理或在一定溫度下服役的過程中，在焊接熱影響區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生的，故稱為“再熱裂紋”，又稱“消除應力處理裂紋”(Stress Relief Cracking)簡稱SR裂紋。1）從材料來看，含有一定沉淀強化元素的金屬材料，如低合金高強鋼、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，裂紋的形成發生在“再熱”（熱處理或一定溫度下服役）過程中，且焊接區有較大的殘余應力并伴有應力集中。對確定的材料有明顯的再熱裂紋敏感溫度區間：對沉淀強化的低合金高強鋼，敏感溫度約為500-700；對奧氏體不銹鋼和高溫合金，敏感溫度約在700-900之間。3）從裂紋位置和擴展路徑來看，再熱裂紋均發生在焊接熱影響區的粗晶區，裂紋沿熔合線母材一側奧氏體粗晶晶界擴展（呈沿晶開裂），焊縫和熱影響區的細晶區不產生再熱裂紋。(a)(b)焊接熱影響區粗晶區再熱裂紋：(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）熱影響區再熱裂紋

3、2、再熱裂紋的形成機理再熱裂紋的形成是近縫區粗晶區應力集中部位的晶界變形量超過其塑性變形能力而導致的，即：為晶界局部的實際應變， 為產生裂紋的晶界局部塑性變形能力晶界雜質析集弱化說晶內二次強化說蠕變斷裂說再熱裂紋形成機理晶界雜質析集弱化說“再熱”（熱處理或一定溫度下服役）過程中雜質元素向晶界的析集而導致的晶界脆化是再熱裂紋形成的根本原因。按照晶界雜質析集弱化說，再熱裂紋的形成應該由雜質元素向晶界的擴散析集過程所控制，因此，其過程應該具有熱激活的特征，且與雜質原子的擴散激活能有關。HT80B鋼在500-700的再熱裂紋開裂時間與溫度的關系：對于一些低合金高強鋼，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，導致晶界脆化晶內二次強化說 沉淀強化元素的沉淀相（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，這些沉淀相在晶內析出而使晶內發生二次強化，從而使應力松弛所產生的應變集中于晶界，當晶界塑性不足時就形成再熱裂紋。 只有那些含有一定沉淀強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鋼、珠光體耐熱鋼、奧氏體不銹鋼，以及Ni3(Al,Ti)（ 相）沉淀強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力兩個條

5、件，而在這兩個條件作用下材料將發生蠕變變形（應力松弛）和損傷過程，因此，蠕變斷裂理論認為，再熱裂紋的形成可以用蠕變斷裂來解釋?！靶ㄐ伍_裂”模型(Wedge Mode)在蠕變條件下，晶界相互滑動是應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容易形成應力集中，當應力超過晶界的結合強度時便形成裂紋?！翱瘴痪奂_裂”模型(Cavitation Mode)空位在一定溫度和應力梯度作用下，趨于向與拉應力垂直的晶界聚集，當晶界空位聚集到一定數量時，晶界結合被削弱，在拉應力作用下形成裂紋。3、再熱裂紋的影響因素與預防措施成分因素 成分因素（母材成分）主要是指合金元素的種類及含量，對近縫區粗晶區的晶

6、粒長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因。 對于低合金高強鋼，C、Cr、Mo、V等被認為是增加再熱裂紋敏感性的元素。判據： 鋼中的雜質，如As、Sn、P、S等，尤其是Sb對再熱裂紋敏感性有顯著影響。工藝因素對一些晶粒長大比較敏感的鋼種，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。預熱和后熱可以降低熱影響區的淬硬傾向、減小焊接殘余應力，是預防再熱裂紋的有效措施之一。應力因素合理的焊接結構設計、焊接施工次序對減小殘余應力和應力集中至關重要；焊接缺陷，如焊縫咬邊、未焊透等往往容易形

7、成應力集中，增加再熱裂紋的傾向。采用低強匹配焊接材料，增加焊縫金屬的塑性，降低再熱裂紋敏感溫度區間焊縫金屬強度，有利于降低近縫區的應力，對預防再熱裂紋有利。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、核反應堆和潛艇建造等大型高強鋼厚壁（厚板）焊接結構中，有時出現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)；當垂直于軋制方向即板厚方向（稱為Z向）存在拉應力且達到或超過夾雜物與基體金屬之間的結合強度時，將在夾雜物

8、與基體金屬之間形成微裂紋，微裂紋在應力持續作用下持續擴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，層狀撕裂與鋼的強度級別關系不大，主要與鋼中的夾雜物含量及分布形態有關。有時鋁合金焊接結構也出現層狀撕裂。2）從裂紋的擴展形態和斷口特征來看，層狀撕裂多呈現由一系列平行于軋制方向的“平臺”和連接這些“平臺”的“剪切壁”構成的階梯形態，其中的“平臺”由裂紋沿片層狀夾雜擴展而形成，而“剪切壁”由相鄰“平臺”之間在剪切力作用下發生剪切斷裂而形成。正是由于層狀撕裂的啟裂和擴展與夾雜的密切關系，在“平臺”上通常可以發現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)階梯形態形成示意圖；(b)“平臺”上的夾雜物3）從接頭形式來看，層狀撕裂常出現在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）的拉應力。4）從裂紋位置來看，層狀撕裂多出現在熱影響區（最常見），但有時也出現在遠離熱影響區的母材中，后一種情況多般是因為鋼材中含有較多的片層狀MnS夾雜，這也充分證明了層狀撕裂的屬性。有時，在焊趾或焊根處也會因冷裂紋而誘發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)對接接頭2、層狀撕裂的影響因素1）非金屬夾雜物當沿軋制方向有較多的片層狀MnS時，裂紋的擴展多呈現階梯形態（最常見

10、）；當鋼中夾雜以硅酸鹽為主時，層狀撕裂常呈平面形態；當鋼中夾雜以Al2O3為主時呈不規則階梯狀。2）拘束應力拘束應力是形成層狀撕裂的外因，對層狀撕裂的形成起關鍵作用的是Z向（垂直于軋制方向）拉應力。3）氫的影響在熱影響區焊趾或焊根等應力集中部位，有時會因為冷裂紋誘發層狀撕裂，氫也會成為層狀撕裂的一個重要影響因素。但是，氫對層狀撕裂的影響并不是一個普遍現象。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（細化、球化等），改善鋼的Z向性能和抗層狀撕裂性能。在結構設計方面，應盡可能減小Z向應力和應力集中。對角接

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

12、力條件下也可以發生應力腐蝕，但常見的、危害最大的還是拉應力條件下的應力腐蝕裂紋。由于焊接接頭（焊縫和熱影響區）在組織結構上的特殊性，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力腐蝕裂紋敏感性。隨著石油化工工業的發展，在腐蝕介質中工作的焊接結構，如容器、管道等經常發生應力腐蝕破壞而造成結構提前失效。1、應力腐蝕裂紋的形成金屬在介質中的腐蝕是電化學過程，作為陽極的金屬溶解，同時釋放出電子，這些電子被陰極過程所吸收，從而導致金屬不斷溶解。陰極過程可以是析氫反應，也可以是吸氧反應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，有利于增強腐蝕過程。當陰極發生析氫過程時稱為氫去極化腐蝕或析氫腐蝕，當陰極發生吸氧過程時稱為氧去極化腐蝕或吸氧腐蝕根據電化學應力腐蝕開裂理論，應力腐蝕裂紋的形成與發展本質上受控于應力作用下的電化學腐蝕過程，按宏觀機理可以有兩種類型：一種是陽極的快速溶解導致的形核和擴展，稱為“陽極溶解開裂”（Active Pass Corrosion，簡稱APC）；另一種是陰極析出的氫擴散進入裂紋尖端，導致裂紋尖端氫脆而擴展，稱為“陰極氫脆開裂”（Hydrogen Embrittlement Cracking，簡稱HEC）。應力腐蝕機理示意圖：(a)陽極溶解開裂(APC)；(b)陰極氫脆開裂(HEC

14、)當應力腐蝕的陰極過程為吸氧反應，或者雖然陰極是析氫反應，但進入金屬內部的氫濃度低于材料氫致開裂的門檻值，裂紋的形核和擴展由陽極溶解過程所控制時，形成陽極溶解型應力腐蝕裂紋（APC），意味著裂紋尖端處于陽極區，被稱作“應力-陽極開裂；當陽極金屬溶解所對應的陰極過程為析氫反應，且原子氫可以快速擴散進入金屬內部，裂紋的擴展受陰極氫的行為控制時，形成陰極氫脆型應力腐蝕裂紋（HEC），裂紋尖端處于陰極區，被稱作“應力-陰極開裂。陰極析氫對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發生的，而且往往相互影響，不能絕對區分。一個應力腐蝕過程是APC還是HEC，主要看哪種過程是控制機制（起主導作

15、用）。如果體系的陰極過程為析氫反應且裂紋尖端為陽極，則發生陽極溶解的同時，材料的表面及裂紋兩側的陰極區氫離子獲得電子而析出的氫原子也可以在應力梯度作用下向裂紋尖端（陽極區）擴散，使裂紋尖端脆化而擴展，從而進一步加速裂紋的擴展。2、 應力腐蝕裂紋的主要特征1）分布與形態應力腐蝕裂紋既可出現在焊縫，也可出現在熱影響區。從外觀上看形態各異，常見網狀和龜裂狀；分布具有明顯的局部性，往往集中在某一或某些局部區域；從橫截面看，形態也不一，在較低放大倍數（數十倍）下如同干枯的樹木根須（細長而多分枝）是典型的形態之一12Cr5Ni2Mo馬氏體不銹鋼脈沖MIG焊接熱影響區酸化NaCl溶液(pH=3.3)應力腐蝕

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

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

18、裂紋。應力腐蝕的門檻門應力由應力腐蝕體系即腐蝕介質和金屬材料的力學性質決定。由于應力腐蝕的門檻門應力通常遠低于材料的斷裂強度（b），加之具有延遲特征，因此，應力腐蝕裂紋容易導致無先兆的災難性事故。5）介質相關性應力腐蝕裂紋是在應力和介質共同作用下形成的，其形成和發展與介質具有強相關性。通常，純金屬不產生應力腐蝕裂紋，但合金（即便是含微量合金元素的合金）在特定的介質中都具有一定的應力腐蝕裂紋傾向，但其敏感性取決于材料與介質的組合，即一種材料通常僅對某些特定的介質表現出敏感性。常見材料的應力腐蝕介質3、應力腐蝕裂紋的預防措施1）材料選擇 一種材料通常僅對某些特定的介質表現出應力腐蝕敏感性，反過來，一種介質通常也僅對某些金屬材料具有應力腐蝕傾向?？梢愿鶕_定的介質（工作介質或環境介質）盡可能選擇對其不形成應力腐蝕裂紋或應力腐蝕裂紋敏感性較小的材料。2）焊接制造 減小焊接殘余應力和成分的不均勻性、避免接頭（焊縫和熱影響區）嚴重的晶粒長大