第2讲焊接裂纹
1、焊接时的温度循环图
图1 焊接温度循环图
2、焊接接头中的裂纹
热
固化状硬致效出化缩口
3、接头中裂纹的形态和分布
1 焊缝中纵向裂纹（多为结晶裂纹）
2 焊缝中横向裂纹（多为延迟裂纹）
3熔合区横向裂纹（多为延迟裂纹）4焊缝根部裂纹（延迟、热应力裂纹）
5 HAZ根部裂纹（延迟裂纹）6焊趾纵向裂纹（延迟裂纹）
7焊趾纵向裂纹（液化、再热裂纹）8焊道下裂纹（延迟、液化、再热裂纹）
9层状撕裂10弧坑裂纹（纵向、横向、星形）
图2 焊接接头中的裂纹
4、热裂纹及形成机理
热裂纹是在焊接时高温下产生的，特征是沿晶界开裂。
*结晶（凝固）裂纹是在焊缝结晶过程中，在固相线附近温度，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足而产生；主要产生在含杂质较多的碳钢、低合金钢和单相奥氏体钢焊缝中。*高温液化裂纹是在焊接热循环峰值温度作用下，在近缝区或多层焊的层间部位低熔共晶被重新熔化，在拉伸应力作用下开裂；主要发生在铬镍高强钢、奥氏体钢中，母材和焊丝中S、P、Si、C偏高时液化裂纹倾向严重。
*多边化裂纹是在焊缝或近缝区，在固相线稍下温度的高温区，刚凝固的金属中存在晶格缺陷（形成多边化边界），使强度和塑性很差，在很小的拉伸应力下开裂；多发生在纯金属或单相奥氏体合金中。
*高温低塑性裂纹是冷却到一定高温范围时，应变与冶金元素交互作用引起塑性低落，沿晶界开裂。
*再热裂纹是在消除应力热处理或在服役过程中，在热影响区粗晶部位发生的；多发生在低合金高强钢、奥氏体钢中。
4.1凝固裂纹（结晶裂纹）
焊缝上凝固裂纹（结晶裂纹）的形成：
在焊缝冷却过程中，先结晶的金属较纯，后结晶的金属含杂质较多，并富集在晶界，所形成的共晶都具有较低熔点（如FeS与Fe共晶温度988℃）。在液相线和固相线之间凝固区是一个非常关键的区域，此时在熔池中长大的柱状晶要联接在一起，结晶后期，已经长大的晶粒阻碍了尚存在的液态金属的流动，低熔共晶物被排挤在柱状晶交遇的中心部位，形成“液态薄膜”，同时由于收缩受到了拉伸应力，可能会在这个薄弱地带开裂。
碳钢、低合金高强钢和不锈钢中的P、S、Si、Ni、B、Zr都能形成低熔点共晶。
熔池结晶的阶段：
1) 液固阶段：少量晶核，相邻晶粒之间有液态金属自由流动，不会开裂；
2) 固液阶段：固相彼此接触，液态金属少，流动困难，稍有拉伸应力就可能产生裂纹；
3) 完全凝固阶段：有较高的强度和塑性，即使有应力也不易开裂。
p-塑性y-流动性T L-液相线T S-固相线T B-脆性温度区
图3 热裂纹的形成
结晶裂纹的形态：
结晶裂纹都是沿焊缝树枝状晶的交界处发生和发展，一般产生在焊缝中心位置，最常见的是沿焊缝中心纵向开裂，也有时发生在焊缝内的两个树枝晶之间。
裂纹面上可以看到氧化色彩。
断口表面扫描电子图像可以看到完整的、成束排列的树枝晶，表面光滑，是高温下液相结晶形成的自由表面。
裂纹产生于焊缝中心的最后结晶区裂纹断口表面平行于焊缝纵向，可看到完整成束排列的树枝晶
图4 热裂纹形态
4.2液化裂纹
热影响区内液化裂纹的形成：
焊接过程中的受热使近缝区（粗晶区）被加热到接近材料固相线附近的温度。这样会使晶界上的低熔点物质熔化并以薄膜的形式分布在晶粒的表面上。在较高的收缩应力的作用下，会使这种已经削弱了的晶粒之间的连接沿晶界造成开裂。
焊缝上液化裂纹的形成：
多层焊时，先焊的焊道受后焊焊道的热作用（形成粗晶区），会受到与热影响区的部分区域相同的影响。因此在较高的峰值温度作用下会使晶界上的低熔点共晶物熔化并在收缩应力的作用下造成开裂。
在近缝区产生的液化裂纹，大致与熔合线平行多层焊焊缝中产生的液化裂纹，沿柱状晶
发展
图5 液化裂纹走向
液化裂纹的特点和产生部位：
液化裂纹是奥氏体晶界开裂的微裂纹，尺寸很小(0.5mm以下)，一般只有在金相磨片上作显微观察才能发现，可能成为冷裂纹、再热裂纹脆性破坏和疲劳断裂的发源地。常出现在焊缝熔合线的凹陷区和多层焊的层间过热区（如图6）。
1凹陷区2多层焊层间
图6 液化裂纹产生部位
4.3再热裂纹
有些含有沉淀强化元素的低合金高强钢和高温合金，在焊后热处理时，因为杂质（P、S、Sb、Sn等）在晶界析集而造成脆化，晶内析出沉淀强化元素（Cr、Mo、V、Ti、Nb）
的碳氮化物而使晶内强化，应力松弛过程中，变形产生在粗晶区应力集中部位的晶界，当塑性不足时产生裂纹。
图7 再热裂纹形成
再热裂纹都是发生在热影响区的粗晶区，呈晶间开裂，裂纹沿熔合线母材侧粗晶晶界扩展，遇到细晶就停止扩展。
产生再热裂纹有一个敏感温度区间，奥氏体不锈钢约在700-900℃，低合金钢约在
500-700℃。热处理前，焊接区存在较大残余应力和应力集中。含有沉淀强化元素的材料才
对再热裂纹敏感。
热处理后在焊趾和焊根应力集中部位产生再热裂纹再热裂纹断口形貌，沿晶断裂特征
图8 再热裂纹产生部位和形貌特征
5、热(结晶)裂纹的影响因素及防治措施
5.1一般的冶金因素
从金属学的角度看，冷却时的凝固区间（结晶温度区间）以及在固相线温度上固态金属和液态金属的量的比值对热裂纹的倾向起着很大作用，应尽量减小液态金属薄膜存在的区间。随着合金元素的增加，结晶温度区间增大，结晶裂纹倾向增加。
S和P在各类钢中都会增加结晶裂纹倾向；含C量增加，结晶裂纹倾向增加；Mn有脱硫作用，可提高抗裂性；Si在小于0.4%时，有利于消除结晶裂纹；Ti能形成高熔点硫化物，有利于消除结晶裂纹；Ni在低合金钢中易于与S形成低熔共晶，会引起裂纹，但加入Mn、Ti后，可抑制S的有害作用。
另外，凝固结晶组织形态也对结晶裂纹有影响，晶粒越粗大，柱状晶方向越强，裂纹倾向越大。
因此，控制焊缝中S、P、C的含量，加入细化晶粒元素都是提高抗裂性的办法。
与低合金钢相比，高合金钢的特点根据其化学成份在结晶时既形成一次铁素体也形成奥氏体。铁素体相对奥氏体而言对硫具有较高的溶解能力并且其膨胀系数非常低。因此一次铁素体（δ铁素体）相对奥氏体热裂纹倾向非常低。图9中合金2相对合金1具有较高的热裂纹倾向。
图9 72%Fe的Fe-Cr-Ni相图
5.2力学因素
产生结晶裂纹的充分条件是力的作用，亦即应力作用。
产生结晶裂纹的条件必须是冶金因素和力学因素共同作用。
5.3工艺因素
——通过减小热输入，在焊缝中避免粗大的树枝状的组织，得到具有较小晶粒尺寸的无序的细胞状组织。
——通过降低焊接速度使晶粒的端部并列长大挤压在一起，以避免偏析的集中。降低焊接速度会使晶粒端部成椭圆形结构，因此使晶粒在焊接方向形成较为有利的排列。
——宽的焊缝形状相对窄而深的焊缝能够防止晶粒长大时直接碰撞在一起，从而可以避免偏析的集中。
使用细直径焊条和小电流，不摆动和避免熔池过大一般能够防止热裂纹。
图10 焊接速度和焊缝形状对热裂纹的影响
5.4结构设计的影响
有一些关于焊接接头设计和施焊的规程和标准可供使用，这些规程和标准中有许多在容器及仪器制造方面的实例，如DIN8558等。
接头及坡口形式将影响接头的受力状态结晶条件，堆焊和熔深较浅的对接焊缝抗裂性较高（图11中a和b），熔深较大的对接和角接、搭接、T型接头抗裂性差（图11中c、d、e、f）。
图11 接头和坡口形式对热裂纹的影响
6、热裂纹敏感性评定方法
堆焊试验（单道堆焊用于评定镍基合金，多层堆焊用于评定不锈钢焊条）
Fisco试验（用于评定低碳钢、铝合金、不锈钢焊条焊缝）
环形镶块裂纹试验（用TIG焊法不加填充焊丝熔化母材评定母材）
指形裂纹试验（用MIG或TIG焊法评定高合金、有色金属）
鱼骨状可变拘束裂纹试验（用于评定铝合金薄板及选用的焊丝材料）
可变拘束裂纹试验（用不加填充焊丝的TIG焊评定母材）
横向可变拘束裂纹试验（用不加填充焊丝的TIG焊评定母材低碳钢、低合金高强钢、不锈钢等）
递增应变速率热裂纹试验
在焊接过程模拟机上试验（刚性拘束试验和强迫应变试验）
7、冷裂纹及其形成
7.1 冷裂纹特征
焊后冷却过程中，在Ms点附近或更低温度区间产生，有时焊后马上产生，这主要是由于接头产生的淬硬组织；也有时延迟产生，焊后几小时、几天、或更长时间产生，这主要是由于氢的作用。
多发生在具有缺口效应的热影响区或物理化学不均匀的氢聚集局部。根部、焊趾裂纹起源于应力集中部位，沿最大应力方向，向热影响区或焊缝发展；焊道下裂纹在粗大的马氏体组织且含氢量较高的热影响区形成，走向与焊缝平行；横向裂纹走向垂直于焊缝边界。具有沿晶和穿晶断裂特点。
根部裂纹和焊趾裂纹，向热影响区扩展角焊缝根部裂纹，向焊缝扩展
图12 冷裂纹产生的位置
7.2延迟裂纹的产生和影响因素
在焊接过程中带入到焊接接头中的氢，焊缝产生的淬硬组织和焊接接头的应力状态，是造成氢致延迟裂纹的三个主要因素。
7.2.1氢的作用
焊接过程中，在高温下焊缝中溶解了很多氢（如图13），电弧中氢分解并以原子或离子的形式进入到液态金属中去。氢来自焊接材料中的水分、空气中的湿气、焊件表面的铁锈及油污等。焊缝中氢的吸入主要与氢的局部压力和温度有关，焊缝中氢的溶解能力可达每100克焊缝金属35ml。（如图14）
图13 氢的分解和溶解图14 氢在不同温度下的溶解度焊接冷却时，由于焊缝金属快速冷却，氢的浓度高于溶解能力图中相应的浓度，大部分氢重新结合成氢气逸出焊缝。部分氢被强制地溶解在晶粒中，集中在晶界的空位和错位中，重新结合成氢气分子并具有较高气体压力，使焊缝金属中的氢处于过饱和状态，因而氢要极力扩散，这种扩散过程（包括氢的再结合）可能在几分钟到几周内完成，因此有延迟特点。
氢在不同金属组织中的溶解度和扩散系数不同，氢在奥氏体中的溶解度比在铁素体中的溶解度大，且随温度升高而增大。而氢的扩散速度刚好相反，在不同组织中扩散系数从大到小的顺序为铁素体和珠光体、索氏体、奥氏体。焊接一般的低合金钢时，由于焊缝的含碳量低于母材，因此焊接冷却时，焊缝首先发生相变，即由奥氏体分解为铁素体、珠光体、贝氏体、及低碳马氏体，氢的溶解度下降，在铁素体、珠光体中快速扩散，越过熔合线到还没发生分解的奥氏体热影响区，由于氢在奥氏体中的扩散速度小，熔合线附近就成了富氢地带，当滞后相变的热影响区发生马氏体转变时，氢便以过饱和状态残留在马氏体中，使马氏体脆
化，如果有缺口效应，就可能产生根部裂纹或焊趾裂纹，氢的浓度更高时，也可能产生焊道下裂纹。
图15 氢的再结合和逸出图16 焊接接头中氢的扩散
焊缝中氢含量过高会使晶格变脆，材料的延伸率降低而屈服强度和抗拉强度保持不变（图17）。这种脆性行为在进行除氢处理后才消失。
鱼眼状白点是材料的一种局部断裂，在微观和宏观显微镜下表现为亮的、近似圆形的中间为脆断面（缺陷点、夹渣、气孔），周围为韧性断裂的区域。白点是含氢的焊缝在焊接后进行塑性变形时产生的。
图17 含氢试样和经消氢处理的试样在进行拉伸试验时的对比
7.2.2淬硬组织的影响
马氏体是碳在铁素体中的过饱和固溶体，碳原子以间隙原子存在于晶格中，使铁原子偏离平衡位置，晶格发生畸变，组织硬化，特别是焊接条件下，快速冷却时，近缝区粗大的奥氏体转变为粗大的马氏体，这种脆硬组织利于裂纹形成和扩展。不同组织对裂纹敏感性增大顺序为：铁素体或珠光体、下贝氏体、低碳马氏体、上贝氏体、高碳马氏体。
另外淬硬会形成更多的晶格缺陷（主要是空位和位错），在应力和热的作用下，空位和位错会发生移动和聚集，到一定程度会形成裂源。
钢种的淬硬倾向主要取决于化学成分、板厚、焊接工艺和冷却条件等。碳当量越大，淬硬倾向越大，越易产生冷裂纹。
7.2.3应力状态的影响
焊接条件下存在的应力有：由于受热不均匀产生的热应力、相变时产生的组织应力、结构拘束条件（刚度、焊缝位置、焊接顺序、自重、负载等）造成的应力，这些应力综合作用称为拘束应力，拘束应力大小取决于拘束度，一般来讲，板厚越大，拘束度越大。实际上，产生冷裂纹的力学行为不是平均的拘束应力，而是在某一敏感（缺口、内部缺陷等）部位达到更大的应力。
8、冷裂纹的防止措施
8.1冶金方面
母材上，一方面，采用低碳多元合金强化方式，达到提高强度、保证韧性的目的；另一方面采用精炼技术降低钢中杂质。
焊材上，选用优质低氢焊接材料和低氢焊接方法，对于重要结构，采用超低氢、高强高韧性焊接材料。在焊接某些淬硬倾向较大的钢时，也有采用低匹配焊缝或采用塑性好的奥氏体焊缝，来提高抗裂性。
烘干焊条、焊剂，清理焊丝和焊接区域，都是从控制氢来源上防止冷裂纹的产生。
8.2工艺方面
工艺上包括焊接线能量、预热温度、焊后后热、焊后热处理等。
线能量过大，会使近缝区晶粒粗大；线能量过小，会使热影响区淬硬，都会增大冷裂倾向。
预热可降低冷却速度，能有效地防止冷裂纹。对于多层焊，还要保持层间温度不低于预热温度。
焊后后热可使扩散氢充分逸出，是防止冷裂纹的有效措施。
对合金元素多、淬硬倾向大、结构拘束度大的构件，需要进行焊后热处理来降低残余应力、改善组织，防止延迟裂纹产生。有些重要结构，还要进行消氢处理。
9、冷裂纹敏感性评定方法
9.1间接评价方法
——碳当量法
——敏感成分和敏感指数法
——热影响区最高硬度法
9.2直接试验方法
——自拘束试验（包括巴东对接裂纹试验、受控热流程度裂纹试验、斜Y型坡口对接裂纹试验亦即小铁研式试验、Y型坡口对接裂纹试验、里海拘束裂纹试验、窗形拘束对接裂纹试验、双T型裂纹试验、十字接头裂纹试验、刚性框架十字接头裂纹试验等）——外拘束试验（包括插销式试验、拉伸拘束裂纹试验、刚性拘束裂纹试验等）
9.3焊接过程模拟机上氢致裂纹试验
插销试验是评定冷裂纹敏感性常用的方法，插销上端的缺口处于焊缝的热影响粗晶区位置，下端的螺纹旋在试验机施加拉力的螺母中，用热电偶测缺口处的焊接热循环。
如图18，在一定条件下进行焊接（焊道长100-150mm，焊条直径4mm，焊接电流160A，焊接电压24-16V，焊接速度cm/min），当温度降到150℃时施加拉力，保持恒载到一定时间，插销在缺口处断裂，记下每一恒载值及断裂时间。施加的拉伸应力越大，断裂时间越短；减小施加的拉伸应力，则断裂时间延长，当应力降到某一数值时，刚好不断裂，这一值为临界应力，是衡量氢致裂纹敏感性的定量指标。根据所使用的参数不同，可以有很多评定的准则。这种试验方法特别适用于不同材料冷裂敏感性的比较，缺点是不能直接估计实际焊接结构中
是否出现裂纹。
图18插销试验示意图
10、层状撕裂
10.1层状撕裂特征
层状撕裂是一种沿钢板扎制方向的开裂，特征是呈阶梯状，常出现在低碳钢和低合金高强钢厚板的T型接头、角接头和十字接头中，对接接头在焊根或焊趾处的冷裂纹也可诱发层状撕裂（如图19）。
10.2层状撕裂产生原因
造成层状撕裂的根本原因是钢在扎制过程中扎成平行于扎向的带状夹杂物，呈现钢材力学性能的各向异性。厚壁结构焊接时，母材在厚度方向上产生很大的拉伸应力和应变，当应变超过母材金属塑性变形时，夹杂物与金属基体发生分离产生微裂，并沿夹杂所在平面扩展形成平台，相邻两个平台之间由于不在一个平面上而发生剪切断裂，构成了层状撕裂的特有阶梯状。
层状撕裂的产生与钢种的强度级别无关，主要与钢中的夹杂种类（MnS）、量（体积和长度）及分布形态有关。有时由冷裂纹诱发的层状撕裂中氢是重要的影响因素。
图19 层状撕裂形态
10.3层状撕裂影响因素
10.3.1 非金属夹杂物种类、数量、分布形态
种类：常见的有硫化物、硅酸盐、铝酸盐
分布：铝酸盐呈球形分布，硫化物、硅酸盐呈不规则的条形分布，敏感性大；
含量：夹杂物体积比（夹杂物总体积与试样总体积之比），夹杂物累积长度（单位面积夹杂长度总和）
10.3.2 Z向拘束应力
10.3.3 氢的影响
常采用Z向拉伸层状撕裂敏感性试验作为层状撕裂的评定方法
各种焊接裂纹成因特点及防止措施，这条必须收藏了 焊接裂纹就其本质来分，可分为热裂纹、再热裂纹、冷裂纹、层状撕裂等。下面仅就各种裂纹的成因、特点和防治办法进行具体的阐述。1.热裂纹是在焊接时高温下产生的，故称热裂纹，它的特征是沿原奥氏体晶界开裂。根据所焊金属的材料不同（低合金高强钢、不锈钢、铸铁、铝合金和某些特种金属等），产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也各不相同。目前，把热裂纹分为结晶裂纹、液化裂纹和多边裂纹等三大类。（1）结晶裂纹主要产生在含杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝中（含S，P，C，Si骗高）和单相奥氏体钢、镍基合金以及某些铝合金焊逢中。这种裂纹是在焊逢结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足，不能及时添充，在应力作用下发生沿晶开裂。防治措施为：在冶金因素方面，适当调整焊逢金属成分，缩短脆性温度区的范围控制焊逢中硫、磷、碳等有害杂质的含量；细化焊逢金属一次晶粒，即适当加入Mo、V、Ti、Nb等元素；在工艺方面，可以通过焊前预热、控制线能量、减小接头拘束度等方面来防治。（2）近缝区液化裂纹是一种沿奥氏体晶界开裂的微裂纹，它的尺寸很小，发生于HAZ近缝区或层间。它的成因一般是由于焊接时近缝区金属或焊缝层间金属，在高温下使这些区域的奥氏体晶界上的低熔共晶组成
物被重新熔化，在拉应力的作用下沿奥氏体晶间开裂而形成液化裂纹。这一种裂纹的防治措施与结晶裂纹基本上是一致的。特别是在冶金方面，尽可能降低硫、磷、硅、硼等低熔共晶组成元素的含量是十分有效的；在工艺方面，可以减小线能量，减小熔池熔合线的凹度。（3）多边化裂纹是在形成多边化的过程中，由于高温时的塑性很低造成的。这种裂纹并不常见，其防治措施可以向焊缝中加入提高多边化激化能的元素如Mo、W、Ti等。2.再热裂纹通常发生于某些含有沉淀强化元素的钢种和高温合金（包括低合金高强钢、珠光体耐热钢、沉淀强化高温合金，以及某些奥氏体不锈钢），他们焊后并未发现裂纹，而是在热处理过程中产生了裂纹。再热裂纹产生在焊接热影响区的过热粗晶部位，其走向是沿熔合线的奥氏体粗晶晶界扩展。防治再热裂纹从选材方面，可以选用细晶粒钢。在工艺方面，选用较小的线能量，选用较高的预热温度并配合以后热措施，选用低匹配的焊接材料，避免应力集中。3.冷裂纹主要发生在高、中碳钢、低、中合金钢的焊接热影响区，但有些金属，如某些超高强钢、钛及钛合金等有时冷裂纹也发生在焊缝中。一般情况下，钢种的淬硬倾向、焊接接头含氢量及分布，以及接头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。焊后形成的马氏体组织在氢元素的作用下，配合以拉应力，便形成了冷裂纹。他的形成一般是穿晶或沿晶的。冷裂纹一般分
1．应力腐蚀的机理：阳极溶解和氢致开裂机理 阳极溶解机理应力腐蚀断裂必须首先发生选择性腐蚀，而金属的腐蚀又受图4所示的阳极极化曲线的影响。以不锈钢为例，增加介质中Cl-含量，降低介质中O2含量及pH值，都会使图4a中阳极极化曲线从左向右移动，这四根曲线分别对应于蚀坑或裂纹区(图4b)的不同位置。应力的主要作用在于使金属发生滑移或使裂纹扩展，这两种力学效应都可破坏钝化膜，从而使阳极过程得以恢复，促进局部腐蚀。钝化膜破坏以后，可以再钝化。若再钝化速度低于钝化膜破坏速度，则应力与腐蚀协同作用，便发生应力腐蚀断裂。 氢致开裂机理或称氢脆机理，是应力腐蚀断裂的第二种机理。这种机理承认SCC必须首先有腐蚀，但是，纯粹的电化学溶解，在很多情况下,既不易说明SCC速度，也难于解释SCC的脆性断口形貌。氢脆机理认为,蚀坑或裂纹内形成闭塞电池，局部平衡使裂纹根部或蚀坑底部具备低的pH值，这是满足阴极反应放氢的必要条件。这种氢进入金属所引起的氢脆,是SCC的主要原因。这种机理取决于氢能否进入金属以及金属是否有高度的氢脆敏感性。高强度钢在水溶液中的SCC以及钛合金在海水中的SCC是氢脆引起的。
2．应力腐蚀开裂的断口形貌：穿晶断口开裂图
3．氢鼓泡产生机理，文字图 通过实验和理论分析研究了氢鼓泡形核、长大和开裂的过程. 在充氢试样中发现直径小于100 nm未开裂的孔洞, 它们是正在长大的氢鼓泡, 也发现已开裂的鼓泡以及裂纹多次扩展导致破裂的鼓泡.分析表明, 氢和空位复合能降低空位形成能, 从而使空位浓度大幅度升高, 这些带氢的过饱和空位很容易聚集成空位团.H在空位团形成的空腔中复合成H2就使空位团稳定, 成为氢鼓泡核.随着H 和过饱和空位的不断进入, 鼓泡核不断长大, 内部氢压也不断升高.当氢压产生的应力等于被氢降低了的原子键合力时, 原子键断开, 裂纹从鼓泡壁上形核. 图5 氢鼓泡形核、长大示意图 (a) 空位V和原子氢H聚集成为空位-原子氢集团; (b) 原子氢在空位 团中复合成分子氢H2, 使其稳定, 鼓泡核形成; (c) 空位和氢不断进 入鼓泡核使其长大; (d) 当鼓泡核内氢压产生的应力等于原子键合力时, 在鼓泡壁形成裂纹 首先, 氢(H)进入金属和空位(V)复合, 使空位形成能大大降低, 从而大幅度升高空位浓度, 这些过饱和空位容易聚集成空位团. 当4个或以上的空位或空位-氢复合体(V-H)聚集成空位四面体或空位团时, 内部形成空腔, 如图5(a). 空位所带的氢在空腔中就会复合成H2, 形成氢压. 由于室温时H2不能分解成H, 故含H2的空位团在室温是稳定的, 它就是鼓泡核, 如图5(b). 随着H和空位不断进入鼓泡核, 就导致鼓泡在充氢过程中不断长大, 同时氢压不断升高, 如图5(c). 当鼓泡中的氢压在内壁上产生的应力等于被氢降低了的原子键合力时, 原子键断裂, 裂纹沿鼓泡壁形核, 如图5(d). 随着氢的不断进入, 裂纹扩展, 直至鼓泡破裂4．氢进入金属材料的途径P129 5．氢致脆断类型：可逆和不可逆，第一类和第二类
腐蚀疲劳与应力腐蚀开裂的关系 河南邦信防腐材料有限公司 2017年3月整理
尽管腐蚀疲劳和腐蚀开裂在许多不同的情况下都可能发生，但是在某种程度上，它们被认为具有很大的相关性。当这两者同时发生时，会在许多行业内造成不可估量的经济损失。 近一个世纪以来，工程材料（主要是金属材料）的腐蚀疲劳已成为全球最重要的研究主题之一。第一次世界大战期间，这种腐蚀疲劳失效现象首先是在英国皇家海军某个设备的电缆中观察到的。如今，腐蚀疲劳已被认为是研究最为广泛的腐蚀失效类型之一。而自1960年代初以来，应力腐蚀开裂（SCC）也逐渐引起了人们的广泛关注。尽管在许多不同情况下腐蚀疲劳和应力腐蚀开裂会单独发生，但它们仍然被认为具有很大的相关性。众所周知，当这两种现象同时发生时，会在许多行业中导致设备失效并带来巨大的经济损失。这些失效都是突发性的和灾难性的，是近年来人们进行广泛的科学和工程研究的重要主题。但是，要了解腐蚀疲劳和应力腐蚀开裂如何相互作用，必须首先了解每种腐蚀类型涉及的机理。 什么是应力腐蚀开裂？ 应力腐蚀开裂（SCC）被定义为由于机械应力和腐蚀的相互作用而发生的开裂现象。造成应力腐蚀开裂有很多因素，但与其中任何一种单独作用的因素相比，腐蚀性环境这一因素在材料中引起的应力产生的破坏一般更大。尽管SCC最常见于金属中，但它也可以存在于一些其他材料中，例如聚合物和玻璃等。 SCC带来的结果通常被认为是灾难性的，因为材料的强度会因此发生降低，随后材料的结构也可能发生破坏。 通常情况下，细微的腐蚀裂纹仅在材料的晶界处形成，而其余的区域则不受破坏。因此，在临时检查中通常很难检测到SCC损伤现象，并且不容易预测损伤的程度。 导致SCC进一步发展的原因之一是某些金属的晶界缺乏钝性。由于杂质在这些位置的偏析现象改变了材料的微观结构，使材料的表面钝化难以在边界界面处发生。
关注碱性应力腐蚀开裂 碱溶液中的腐蚀 在室温下，对于各种金属和合金，包括碳钢在内，在任意浓度的碱溶液（如氢氧化钠或者氢氧化钾）中的腐蚀，是较为容易控制的。随着温度和浓度的增加，腐蚀也将随之增强。考虑腐蚀的影响，碳钢的有效安全使用限制温度大约是150℉/65℃。读者从图1的曲线中可以看到碳钢的安全温度限制。相比于碳钢，不锈钢抵抗一般性腐蚀的能力更强；在大约接近250℉/121℃的温度下才发生碱性应力腐蚀开裂。 一般而言，随着含镍量的增加，金属抵抗碱溶液腐蚀的能力增强。碱性应力腐蚀开裂的敏感性主要取决于合金成分、碱浓度、温度和应力水平。对于一般开裂机理，都存在一个裂纹发生的临界应力值。不幸的是，现在还没有精确的获得在高温碱性环境下的高含镍量合金的临界应力值。由于600合金在压水反应堆蒸汽发生器传热管中的大量使用，已经获得了许多600合金在碱性环境下的数据。200合金（纯镍）除了在极其恶劣的碱性环境，包括熔盐的情况下，一般是不会发生腐蚀的。 合金抗碱溶液腐蚀的能力 碳钢和低合金钢 任意浓度的氢氧化钠和氢氧化钾（作为以下的碱）可用碳钢容器在室温下进行保存。当温度高于周围环境时，碳钢的腐蚀速率增大并且伴随着发生碱性应力腐蚀开裂的风险。碳钢容器可以在温度达到180℉/82℃的情况下安全的贮存低浓度的碱溶液；而对于浓度为50%的溶液，在温度接近120℉/48℃的情况下就会有发生碱性应力腐蚀开裂的风险。氢氧化钠环境下的使用图（图1）被广泛用于确定碳钢在不同碱浓度下的安全使用温度。图2所示的是碳钢在碱性环境下的裂纹显微照片。 铁素体不锈钢 高纯度的铁素体不锈钢，例如E-Brite 26-1（UNS S44627），显示出了很好的对高浓度碱性溶液的腐蚀抵抗力，其抗碱腐蚀性能远好于奥氏体不锈钢。根据报道，它抗碱性腐蚀的性能不低于镍。由于这种很好的对碱性环境的抗腐蚀性，使其能使用在会对镍合金造成腐蚀的次氯酸盐和氯酸盐杂质的环境中。据一则报道表明，26-1铁素体不锈钢可以在300℉/148℃到350℉/177℃的高温环境下使用。据另一则报道显示，其在350℉/177℃到400℉/204℃温度下，氢氧化钠的浓度为45%时，仍有很好的抗腐蚀能力。基于其对碱性环境，特别在含有氧化的污染物情况下，的良好抗腐蚀性，因此，在碱的蒸发器管中得到广泛应用。然而，铁素体不锈钢的致命缺陷是其固有的低的焊 接韧性和在高温下的低强度。因此，它们不能正常的应用 于压力容器。 奥氏体不锈钢 研究者根据商用纯碱溶液开发了用于描述影响碱脆的浓度 和温度参数图，也即为300系列奥氏体不锈钢的应力腐蚀 开裂。图3显示了所开发的图。1mpy的等蚀线在大约100° C使，对具有20%-60%浓度的碱为常数，应力腐蚀开裂的轮 廓线在40%-50%浓度范围内则稍高。 300系列不锈钢在热的浓度为40%-50%范围内的碱中很可能 会发生快速的一般性腐蚀，事实上，这种现象已经被观察 到了。因此，可能的安全限值将低于图上所示数值，例如： 50%浓度所对应的70°C和40%浓度所对应的80°C。 对于304/316类型的不锈钢，一般服役最大温度限值是100°C。在更高的温度下将会产生碱性开裂。300系列不 锈钢的应力腐蚀开裂是一种典型的穿晶裂纹。 双相不锈钢 双相不锈钢具有类似于316不锈钢那样的抗一般性腐蚀的 能力，并且对氯化物应力腐蚀开裂的敏感性性也较低。具 有较高合金含量的显著添加了钼和氮成分的双相钢合金， 抗碱性环境腐蚀的能力要优于316不锈钢。据报道，2205 不锈钢和2906不锈钢能很好的抵抗碱性应力腐蚀开裂。 高含镍量的奥氏体不锈钢 高含镍量的不锈钢中约含25-35 wt％的镍，包含有非专利 和有专利的合金，如：904L、Sanicro28、20Cb-3合金、800合金、AL6- XN等。与300系列不锈钢相比较，这些合 金对侵蚀性（高温）溶液的抵抗力有了极大的提高。 镍合金 在抗碱性环境下的腐蚀和应力腐蚀开裂方面，商业纯镍，200合金（N02200）和201合金（N02201）是最好的材料。400合金（N04400）和600合金（N06600）也具有优异的抗应力腐蚀能力。当碱浓度在70％以上，温度高于290°C（550°F）时，这些合金也会出现腐蚀应力开裂。镍铬钼合金，如C- 276（N10276），具有很好的抗碱性开裂的能力，但，在高浓度和高
目录 1 试验的选择与目的 (1) 2 试验方法 (1) 3 现行标准 (1) 4 试件分析 (2) 5 试件制备 (2) 5.1 试件 (3) 5.2 试验装置 (3) 5.3试验流程 (4) 6 试验计算 (4)
工艺焊接性直接试验方法 1 试验的选择与目的 工艺焊接性直接试验方法有焊接冷裂纹试验、焊接热裂纹试验、再热裂纹实验、层状撕裂试验和析因理化试验。 按本次试验要求，选择焊接热裂纹敏感性试验。它是检验焊接热裂纹敏感性的试验。是评定金属焊接性的一类专门试验，对于不锈钢、耐热合金、铝合金等材料尤为重要。通过焊接热裂纹试验可达到两个目的：(1)测定某一组待焊金属(不同型号材料)的热裂纹敏感性，比较试验结果，选择符合工程设计要求的较理想的待焊金属。为此，规定了统一的试样尺寸和焊接试验条件。(2)用来确定待焊金属、焊接添加材料和焊接接头型式以及焊接工艺条件的适应性组合，以选定热裂纹倾向最小的合理的焊接工艺规范。 2 试验方法 常用的焊接热裂纹试验方法有T形接头焊接裂纹试验、压板对接(FISCO)焊接裂纹试验、横向可变拘束裂纹试验、可变刚性裂纹试验、十字搭接裂纹试验等等。本次试验的材质为Q345qD桥梁钢和Q420qE桥梁钢，采用压板对接(FISCO)焊接裂纹试验。该试验适用于低碳钢焊条、低合金钢焊条和不锈钢焊条焊缝的热裂纹敏感性实验。该法要求试件少，制备方便，试验结果重复性好，已作为我国焊条验收检查的主要试验方法之一。 3 现行标准 GB 4675.4-84《焊接性试验压板对接(FISCO)焊接裂纹试验方法》； GB 981-76《低碳钢和低合金高强度钢焊条》； GB 983-76《不锈钢焊条》。 4 试件分析 本次试验的材质为Q345qD桥梁钢和Q420qE桥梁钢。 Q345qD钢板以热轧、正火或热机械轧制状态交货，Q345qD钢板厚度不大于150mm，屈强比不大于0.85，专用于架造铁路或公路桥梁的钢板。
应力腐蚀断裂精编版 MQS system office room 【MQS16H-TTMS2A-MQSS8Q8-MQSH16898】
应力腐蚀断裂 一．概述 应力腐蚀是材料、或在静(主要是拉应力)和腐蚀的共同作用下产生的失效现象。它常出现于用钢、黄铜、高强度铝合金和中，凝汽器管、矿山用钢索、飞机紧急刹车用高压气瓶内壁等所产生的应力腐蚀也很显着。 常见应力腐蚀的机理是：零件或构件在应力和腐蚀介质作用下，表面的氧化膜被腐蚀而受到破坏,破坏的表面和未破坏的表面分别形成阳极和阴极,阳极处的金属成为离子而被溶解，产生电流流向阴极。由于阳极面积比阴极的小得多，阳极的电流密度很大，进一步腐蚀已破坏的表面。加上拉应力的作用，破坏处逐渐形成裂纹，裂纹随时间逐渐扩展直到断裂。这种裂纹不仅可以沿着金属晶粒边界发展，而且还能穿过晶粒发展。应力腐蚀过程试验研究表明：当金属加上阳极电流时可以加剧应力腐蚀，而加上阴极电流时则能停止应力腐蚀。一般认为压应力对应力腐蚀的影响不大。 应力腐蚀的机理仍处于进一步研究中。为防止零件的应力腐蚀，首先应合理选材，避免使用对应力腐蚀敏感的材料,可以采用抗应力腐蚀开裂的不锈钢系列,如高镍奥氏体钢、高纯奥氏体钢、超纯高铬铁素体钢等。其次应合理设计零件和构件，减少。改善腐蚀环境，如在腐蚀介质中添加缓蚀剂，也是防止应力腐蚀的措施。采用金属或非金属保护层，可以隔绝腐蚀介质的作用。此外，采用阴极保护法见也可减小或停止应力腐蚀。本篇文章将重点介绍应力腐蚀断裂失效机理与案例研究，并分析比较应力腐蚀断裂其他环境作用条件下发生失效的特征。，由于应力腐蚀的测试方法与本文中重点分析之处结合联系不大，故不再本文中加以介绍。二．应力腐蚀开裂特征 （1）引起应力腐蚀开裂的往往是拉应力。 这种拉应力的来源可以是： 1．工作状态下构件所承受的外加载荷形成的抗应力。 2．加工，制造，热处理引起的内应力。 3．装配，安装形成的内应力。 4．温差引起的热应力。 5．裂纹内因腐蚀产物的体积效应造成的楔入作用也能产生裂纹扩展所需要的应力。 （2）每种合金的应力腐蚀开裂只对某些特殊介质敏感。 一般认为纯金属不易发生应力腐蚀开裂，合金比纯金属更易发生应力腐蚀开裂。下表列出了各种合金风应力腐蚀开裂的环境介质体系，介质有特点：即金属或合金可形成纯化膜，弹介质中有有破坏纯化膜完整性的离子存在。而且介质中的有 害物质浓度往往很低，如大气中微量的H 2S和NH 3 可分别引起钢和铜合金的应力腐蚀
虽然已经应用铝及其合金焊成许多重要产品，但实际焊接生产中并不是没有困难，主要的问题有：焊缝中的气孔、焊接热裂纹、接头“等强性”等。由于铝及其合金的化学活泼性很强，表面极易形成氧化膜，且多具有难熔性质（如Al 2 O3的熔点为2050℃，MgO熔点为2500℃），加之铝及其合金导热性强，焊接时容易造成不熔合现象。由于氧化膜密度同铝的密度极其接近，所以也容易成为焊缝金属中夹杂物。同时，氧化膜（特别是有MgO存在的，不很致密的氧化膜）可以吸收较多水分而常常成为焊缝气孔的重要原因之一。此外，铝及其合金的线胀系数大，导热性又强，焊接时容易产生翘曲变形。这些也都是焊接生产中颇感困难的问题。下面，对在试验过程中产生比较严重的裂纹进行深入的分析。 1铝合金焊接接头中的裂纹及其特征 在铝合金焊接过程中，由于材料的种类、性质和焊接结构的不同，焊接接头中可以出现各种裂纹，裂纹的形态和分布特征都很复杂，根据其产生的部位可分为以下两种裂纹形式：（1）焊缝金属中的裂纹：纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹、发状或弧状裂纹、焊根裂纹和显微裂纹（尤其在多层焊时）。 （2）热影响区的裂纹：焊趾裂纹、层状裂纹和熔合线附近的显微热裂纹。按裂纹产生的温度区间分为热裂纹和冷裂纹，热裂纹是在焊接时高温下产生的，它主要是由晶界上的合金元素偏析或低熔点物质的存在所引起的。根据所焊金属的材料不同，产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也各有不同，热裂纹又可分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹3类。热裂纹中主要产生结晶裂纹，它是在焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足不能及时填充，在凝固收缩应力或外力的作用下发生沿晶开裂，这种裂纹主要产生在含杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝和某些铝合金；液化裂纹是在热影响区中被加热到高温的晶界凝固时的收缩应力作用下产生的。 在试验过程中发现，当填充材料表面清理不够充分时，焊接后焊缝中仍存在较多的夹杂和少量的气孔。在三组号试验中，由于焊接填充材料为铸造组织，其中夹杂为高熔点物质，焊接后在焊缝中仍将存在；又，铸造组织比较稀疏，孔洞较多，易于吸附含结晶水的成分和油质，它们将成为焊接过程中产生气孔的因素。当焊缝在拉伸应力作用下时，这些夹杂和气孔往往成为诱发微裂纹的关键部位。通过显微镜进一步观察发现，这些夹杂和气孔诱发的微观裂纹之间有明显的相互交汇的趋势。然而，对于夹杂物在此的有害作用究竟是主要表现为应力集中源从而诱发裂纹，还是主要表现为脆性相从而诱发裂纹，尚难以判断。此外，一般认为，铝镁合金焊缝中的气孔不会对焊缝金属的拉伸强度产生重大影响，而本研究试验中却发现焊缝拉伸试样中同时存在着由夹杂和气孔诱发微裂纹的现象。气孔诱发微裂纹的现象是否只是一种居次要地位的伴生现象，还是引起焊缝拉伸强度大幅度下降的主要因素之一，亦还有待进一步的研究。 2热裂纹产生的过程 目前关于焊接热裂纹理论，国内外认为较完善的是普洛霍洛夫理论。概括地讲，该理论认为结晶裂纹的产生与否主要取决于以下3方面：脆性温度区间的大小；在此温度区间内合金所具有的延性以及在脆性温度区间金属的变形率大小。 通常人们将脆性温度区间的大小及在此温度区间内具有的延性值称为产生焊接热裂纹的冶金因素，而把脆性温度区内金属的变形率大小称为力学因素。焊接过程是一系列不平衡的工艺过程的综合，这种特征从本质上与焊接接头金属断裂的冶金因素和力学因素发生重要的联系，如焊接工艺过程与冶金过程的产物即物理的、化学的与组织上的不均匀性、熔渣与夹杂物、气体元素与处于过饱和浓度的空位等。所有这些，都是与裂纹的萌生与发展有密切联系的冶金因素。从力学因素方面看，焊接热循环特定的温度梯度与冷却速度，在一定的拘束条件下，将使焊接接头处于复杂的应力-应变状态，从而为裂纹的萌生与发展提供必要的条件。 在焊接过程中，冶金因素和力学因素的综合作用将归结为两个方面，即是强化金属联系还是弱化金属联系。如果在冷却时，焊接接头金属中正在建立强度联系，在一定刚性拘束条件下能够顺从地应变，焊缝与近缝区金属能够承受外加拘束应力与内在残余应力的作用时，裂纹就不容易产生，焊接接头的金属裂纹敏感性低，反之，当承受不住应力作用时，金属中强度联 铝合金焊接接头产生裂纹特征及产生机理分析 谢辉 （广东省第二农机厂，广东广州512219） 摘要：近40年来，由于焊接技术的进步，高效率和高性能的焊接方法得到了推广，铝及铝合金在车辆、船舶、建筑、桥梁、化工机械、低温工程和宇航工业等各种结构方面的应用在不断扩大，但国产化的铝合金和铝合金焊接材料均还存在着一定的差距。对铝合金焊接接头产生裂纹的特征及产生机理进行了分析，提出了几点防范措施。 关键词：铝合金；焊接接头；裂纹；机理 —116—
焊接热裂纹产生机理影响因素及防治措施 一、结晶裂纹 1、产生机理 1）、产生部位：结晶裂纹大部分都沿焊缝树枝状结晶的交界处发生和发展的，常见沿焊缝中心长度方向开裂即纵向裂纹，有时焊缝内部颁在两树枝状晶体之间。 对于低碳钢、奥氏体不锈钢、铝合金、结晶裂纹主要发生在焊缝上。 某些高强钢，含杂质较多的钢种，除发生在焊缝之处，还出现在近缝区上。 2）、分析熔池各阶段产生结晶裂纹的倾向 焊缝金属结晶过程中，晶界是个薄弱地带，由金属结晶理论可知，先结晶的金属比较纯，后结晶的金属杂质多，并集富在晶界，并且熔点较低，这些低熔点共晶物被排挤在晶界，形成一种所谓《液态薄膜》，在焊接拉应力作用下，就可能在这薄弱地带开裂，产生结晶裂纹。 产生结晶裂纹原因：①液态薄膜②拉伸应力 液态薄膜—根本原因。拉伸应力—必要条件以碳钢焊接为例，分析研究一下，在熔池结晶过程中什么阶段产生结晶裂纹的倾向最大。 如图3-77 ①液固阶段：熔池开始结晶时，液相多，固相少，液态金
属在晶粒间处于自由流动状态，有拉应力存在时，拉开后有液体随之补充，不易产生裂纹。（1区） ②固液阶段：固相多，晶粒之间相互接触，液相少，（低熔点共晶）在拉应力作用时产生微少缝隙，液态填充少，产生裂纹，这一区也称为“脆性温度区”即图3-77上a、b 之间的温度范围？ ③固相阶段：完全结晶完毕，成为整体固态金属，拉应力作用时，因无液态薄膜受力均匀，不易产生裂纹。 T b—称为脆性温度区，在比区间易产生结晶裂纹，杂质较少的金属, T b小产生裂纹的可能性也小，杂质多的金属T b 大，产生裂纹的倾向也大。 3）产生结晶裂纹的条件？图3-78 如图3-78纵座标表示温度，横坐标表示由拉伸应力所产生的变形（e）和金属的塑性（P），脆性温度区的范围用T b表示上限是固液温度开始下限固相线附近，或低于固相线一段温度。 在脆性温度区内焊缝的塑性用P表示，是温度的函数，=，当在某一瞬时温度时有一个最小的塑性值（P min）PΦ ) (T （出现液态薄膜时） 受拉伸应力所产生的变形用e表示，也是温度的函数？ ①如果拉伸应力所产生的变形随温度T按曲线（1）变化，
第三节应力腐蚀裂纹 一、应力腐蚀概述 金属或合金在应力，特别是拉伸应力的作用下，又处在特定的腐蚀环境中，材料虽然在外观上没有多大变化，如未产生全面腐蚀或明显变形，但却产生了裂纹。这种现象称作应力腐蚀裂纹。因此，在全面腐蚀较严重的情形下，不易产生应力腐蚀裂纹。应力腐蚀外观无变化，裂纹发展迅速且预测困难，因而更具危险性。 应力腐蚀裂纹是应力和腐蚀环境相结合造成的。所以，只要消除应力和腐蚀环境两者中的任何一个因素，便可以防止裂纹的产生。实际上既无法完全消除装置在制造时的残余应力，又无法使装置完全摆脱腐蚀性环境。采用上述方法防止应力腐蚀几乎是不可能的。因此，一般是通过改变材料的方法解决这个问题。此外，焊缝部位由于热应变作用会产生很大的残余应力，而加热冷却的热循环过程，也会使材质发生变化。所以对于焊缝部分要比对于焊接本体更加注意，认真查看是否发生了应力腐蚀裂纹。 由于金属材料和腐蚀环境结合的情况有所不同，应力腐蚀裂纹也各不相同。根据材料的微观组织，可以鉴别裂纹的特征。有的是沿晶粒边缘产生的裂纹，有的是伸展到晶粒内部而又有显著分枝的裂纹，有的则是与晶粒边缘、晶粒内部无关的裂纹。 广义的应力腐蚀裂纹有时又区分为狭义的应力腐蚀裂纹和氢脆裂纹。应力腐蚀裂纹和氢脆裂纹虽然同属广义的应力腐蚀裂纹，但两者之间实质上有很大区别。应力腐蚀裂纹指的是，金属材料在特定的腐蚀环境中，受到应力作用，沿着金属内微观径路在有限范围内发生腐蚀而出现裂纹的现象。而氢脆裂纹指的则是，金属材料受到应力作用，由于腐蚀反应产物氢被金属吸收，产生氢蚀脆化，出现裂纹的现象。 应力腐蚀裂纹和氢脆裂纹，两者可以用腐蚀环境和应力再现的方法或电化学方法进行鉴别。近些年来，又开发出了音响鉴别方法。这种方法是考虑到氢脆裂纹是机械性破坏，所以产生裂纹时会发生音响。而应力腐蚀裂纹是金属溶解造成的破坏，不会发生音响。在实际装置中，应力腐蚀裂纹非常复杂，在大多数情况下对两者不加区别，一律看做广义的应力腐蚀裂纹。 金属材料并不是在所有的腐蚀环境中都能产生应力腐蚀裂纹。不同金属材料的应力腐蚀都需要特定的腐蚀环境。随着各种金属材料应用范围的不断扩大，腐蚀环境的种类也出现增多的趋势。 化学工业中的应力腐蚀，是由于原材料中所含的杂质或在各工序中经过分解、合成等过程生成的腐蚀性成分造成的。能造成应力腐蚀的原材料中的杂质有硫、硫化物、氯化钠和氯化锰等无机盐、脂环酸、氮化合物等。另外，为了防止腐蚀所加入的碱，再生重整等过程中使用的催化剂，也是能引起应力腐蚀裂纹的物质。 二、应力腐蚀的机理与特征 应力腐蚀机理比较成熟的有机械化学效应、闭塞电池理论、表面膜理论、氢脆理论四种学说。下面简单介绍这四种理论。 机械化学效应理论认为，金属材料在应力作用下在应力集中处迅速变形屈服成为腐蚀电池阳极区，与金属表面腐蚀电池的阴极区构成小阳极大阴极的腐蚀电池。使金属沿特定的狭窄区域迅速溶解开裂。 闭塞电池理论认为，某些几何因素使金属裂纹引发点处电解液流动不畅形成闭塞电池。
焊接冷裂纹 1.前言 1.1焊接裂纹的简介 焊接裂纹是指金属在焊接应力及其他致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区金属原子结合力遭到破坏所产生的缝隙。在焊接生产中由于钢种和结构的类型不同，可能出现各种裂纹，焊接裂纹产生的条件和原因各有不同。有些裂纹在焊后立即产生，有些在焊后延续一段时间才发生，有的在一定外界条件诱发下才产生；裂纹既出现在焊缝和热影响区表面，也产生在其内部。 焊接裂纹对焊接结构的危害有：①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②构成了严重的应力集中。裂纹是片状缺陷，其边缘构成了非常尖锐的切口应力集中，既降低结构的疲劳强度，又容易引发结构的脆性破坏。 ③造成泄漏。由于盛装或输送有毒且可燃的气体或液体的各种焊接储罐和管道，若有穿透性裂纹，必然发生泄漏。④表面裂纹能藏污纳垢，容易造成或加速结构的腐蚀。⑤留下隐患，使结构变得不可靠。由于延迟裂纹产生具有不定期性，微裂纹和内部裂纹易于漏检，这些都增加了焊接结构在使用中的潜在危险。 焊接裂纹是焊接结构最严重的工艺缺陷，直接影响产品质量，甚至引起突发事故，例如，焊接桥梁坍塌，大型海轮断裂，各种类型压力容器爆炸等恶性事故。随着现代钢铁、石油化工、船舶和电力等工业的发展，在焊接结构方面都趋向大型化、大容量和高参数方向发展，有的在低温、深冷或腐蚀介质下工作，都广泛采用各种低合金高强钢材料，而这些金属材料通常对裂纹十分敏感。因此，从焊接裂纹的微观形态、起源与扩展及影响因素等进行深入分析，对防止焊接裂纹和保证工程结构的质量稳定性是十分重要的。 1.2焊接裂纹分类 焊接裂纹按产生的机理可分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹等。 (1)热裂纹 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裂纹，它的特征是沿原奥氏体晶界开裂。根据所焊金属的材料不同，产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也不同。
/ 实验教学 / - 131 - 2013年2月下 第06期（总第300期） 10.3969/j.issn.1671-489X.2013.06.131 金属材料应力腐蚀裂纹的探讨 陶勇 四川建筑职业技术学院 四川德阳 618000 摘 要 金属被环境介质的化学以及电化学作用而受破坏过程即腐蚀。根据工程实情，对应力腐蚀裂纹的形成等问题展开研究，对设计中怎样更有效地实施措施以防止金属材料应力腐蚀的现象发生以及在生产实践中怎样处理金属材料应力腐蚀裂纹的问题进行探究。关键词 金属材料；应力腐蚀；裂纹 中图分类号：T G111.91 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2013)06-0131-02Discussion of Metal Material Stress Corrosion Crack //Tao Yong Abstract Corrosion means the process which metal is damaged by the environmental medium through chemical and electrochemical action. According to the actual project situation, with the help of the study of stress corrosion crack issues, we have explored the methods about how to deal with such problems effectively and prevent the crack in the design.Key words Metal material; stress corrosion; crack 1 应力腐蚀概论 应力腐蚀指的是金属材料或结构处于静载拉应力与一定的腐蚀环境一起作用下所导致发生的脆性破裂。1.1 金属材料应力腐蚀裂纹 金属材料于一定的腐蚀环境中，被应力作用，因着金属本身微观径路在设限范围内产生腐蚀而呈现裂纹的现象称应力腐蚀裂纹。应力腐蚀裂纹的特征是金属外表为脆性机械断裂。裂纹只产生于金属的部分区域，由内向外发展，通常是与作用力保持垂直状态。金属材料应力腐蚀裂纹同简单因应力导致的破坏不一样，其腐蚀在极其微弱的应力条件下也可以产生；金属材料应力腐蚀裂纹同单一因腐蚀造成的破坏也不一样，其腐蚀性最为微弱的介质也可以导致腐蚀裂纹。而处于严重的全面腐蚀状况下，则不易发生应力腐蚀裂纹现象。应力腐蚀外表没有变化，裂纹发展速度极快并且很难意料，因此可以说是一种具有极大危害性的破坏形式。它的破坏往往是无法意料的，就发展速度而言，能够达到孔蚀的数百万倍。导致设备发生渗漏现象及至爆炸，是所有腐蚀形态中最具危害的一种。1.2 氢脆理论 依据裂纹发展阶段的电化学反应，可将应力腐蚀划分成阳极和阴极两个反应敏感型。具体说明：1）应力腐蚀阳极反应敏感指的是此类应力腐蚀裂纹的产生与发展阶段都是受裂纹处金属的阳极溶解制约的，裂纹的发展快慢也是由金属阳极溶解的快慢决定；2）应力腐蚀阴极反应敏感指的是此类应反应阶段中因阴极吸氢而导致的脆性破坏，其也称之为氢脆型应力腐蚀。而氢脆裂纹指的是金属材料在应力作用下，因为腐蚀反应所产生的氢为金属所吸收出现氢蚀脆化导致的裂纹。 金属材料并非是在各种腐蚀环境中均出现应力腐蚀裂纹。不同的金属材料的应力腐蚀均需一定的腐蚀环境。因各金属材料适用范围的逐渐扩大，腐蚀环境的类型也呈现数量 增加的趋势[1]。 2 金属材料发生应力腐蚀的特征 通常所讲的应力腐蚀，即阳极反应敏感应力腐蚀。对于金属材料发生应力腐蚀的特征，可从4个方面来加以说明。2.1 金属材料发生应力腐蚀裂纹必须是拉应力 只有处于应力（特别是拉应力）的状态下，才会发生应力腐蚀裂纹。发生应力腐蚀的应力属于其中的静态部分，它既可能是外加载荷或者装配力（包括拧螺栓、胀接力等）引发的应力，也可能是构件在制造、热处理、焊接等加工阶段中发生的内应力。不论来源怎样，造成应力腐蚀裂纹的应力一定包含拉伸应力的成分，压缩应力是不能引发应力腐蚀裂纹的。而且，此种应力往往是很轻微的，若不是在腐蚀环境条件中，此弱小的应力是不能够让构件产生机械性破坏的。促成破坏的应力值要依据材料、腐蚀介质等实际情况来定[2]。2.2 促成一定金属材料产生应力腐蚀的环境介质是特定的 发生应力腐蚀的材料与介质并非任意的，只在两者处于某种组合时才能产生应力腐蚀。引发一般钢应力腐蚀的腐蚀介质包括的溶液有：氢氧化物；含有硝酸、碳酸盐、硫化氢的水；海水，硫酸与硝酸混合；融化的锌、锂；热状态的三氯化铁；液体氨。引发奥氏体不锈钢应力腐蚀介质包括的溶液有：具有酸性、中性的氯化物；海水；热融的氯化物；热状态的氟化物、氢氧化物[3]。2.3 金属材料 通常极纯的金属不会发生应力腐蚀破坏，只是处于合金或者包含杂质的金属中才能够产生。因为金属材料与腐蚀环境互相作用的状况不尽相同，金属材料应力腐蚀裂纹也都不尽相同。裂纹或沿晶粒边缘发生；或延伸到晶粒内部而又明显分枝；裂纹或与晶粒边缘、晶粒内部都没有关系。2.4 破坏过程 金属材料应力腐蚀裂纹，往往在没有意料的状况下突然 （下转P134）
在焊接中什么是冷裂纹和热裂纹低碳钢焊接性分析： （一）冷裂纹 碳当量：钢材和熔敷金属的碳含量增加大桥焊条，焊接性变差；硅锰含量增加，焊接性变差;CE值增加，产生冷裂纹倾向增大，焊接性变差淬硬倾向：淬硬组织或马氏体组织越多，其硬度越高，焊缝和热影响区硬度越高，焊接性差。冷却速度影响因素：（1）钢材厚度和接头几何形状，（2）焊接时母材的实际起始温度（3）焊接线能量大小。拘束度和氢。板厚增加，拘束度增加;焊接区被刚性固定，拘束度增加，提高氢致裂纹敏感性 钢材成分一定，淬硬组织比例越高，冷裂所需临界氢含量越低，所需拘束应力也就越低，冷裂倾向越大。组织氢含量一定时，拘束度越大，冷裂纹敏感性越大。 （二）热裂纹 在焊接SP过高的碳钢时，一方面：在焊接热影响区的晶界上聚集的低熔点SP化物，引起热影响区熔合线附近的液化裂纹;若板厚较大，沿不同偏析带分布的碳化物等，在T形等接头中引起层状撕裂。另一方面：当母材稀释率较高时，进入焊缝的SP也偏多，容易引起焊缝中热裂纹。中碳钢焊接大多需要预热和控制层间温度，以降低焊缝金属和热影响区冷却速度，抑制马氏体形成，提高接头塑性，减小残余应力。 合金结构钢种类：低合金钢，中合金钢，高合金钢。1强度用钢：热轧及正火钢，低碳调质钢，中碳调质钢。2专用钢：珠光体耐热钢，低温钢，低合金耐蚀钢热轧钢：把钢锭加热到1300度左右，经热轧成板材，然后空冷。正火钢：钢板轧制和冷却后，再加热到900度附近，然后在空气中冷却。调质钢：900度附近加热后放入淬火设备中水淬，后在600度左右回火处理。 控轧：采用控制钢板温度和轧制工艺得到高强度，高韧性钢的方法。热轧钢通常是铝镇静的细晶粒铁素体+珠光体组织。正火钢是在固溶强化基础上，加入合金元素在正火条件下通过沉淀强化和细化晶粒来提高强度和保证韧性的。热轧及正火钢焊接性分析：Q345（16Mn)裂纹脆化 1冷裂纹淬硬组织是引起冷裂纹的决定性因素。冷裂敏感性一般随强度提高而增加2热裂纹降低焊缝中碳含量和提高锰含量，解决了热裂纹问题。Si的有害作用也与促使S的偏析有关。再热裂纹采取提高
应力腐蚀断裂 一．概述 应力腐蚀是材料、机械零件或构件在静应力(主要是拉应力)和腐蚀的共同作用下产生的失效现象。它常出现于锅炉用钢、黄铜、高强度铝合金和不锈钢中，凝汽器管、矿山用钢索、飞机紧急刹车用高压气瓶内壁等所产生的应力腐蚀也很显著。 常见应力腐蚀的机理是：零件或构件在应力和腐蚀介质作用下，表面的氧化膜被腐蚀而受到破坏,破坏的表面和未破坏的表面分别形成阳极和阴极,阳极处的金属成为离子而被溶解，产生电流流向阴极。由于阳极面积比阴极的小得多，阳极的电流密度很大，进一步腐蚀已破坏的表面。加上拉应力的作用，破坏处逐渐形成裂纹，裂纹随时间逐渐扩展直到断裂。这种裂纹不仅可以沿着金属晶粒边界发展，而且还能穿过晶粒发展。应力腐蚀过程试验研究表明：当金属加上阳极电流时可以加剧应力腐蚀，而加上阴极电流时则能停止应力腐蚀。一般认为压应力对应力腐蚀的影响不大。 应力腐蚀的机理仍处于进一步研究中。为防止零件的应力腐蚀，首先应合理选材，避免使用对应力腐蚀敏感的材料,可以采用抗应力腐蚀开裂的不锈钢系列,如高镍奥氏体钢、高纯奥氏体钢、超纯高铬铁素体钢等。其次应合理设计零件和构件，减少应力集中。改善腐蚀环境，如在腐蚀介质中添加缓蚀剂，也是防止应力腐蚀的措施。采用金属或非金属保护层，可以隔绝腐蚀介质的作用。此外，采用阴极保护法见电化学保护也可减小或停止应力腐蚀。本篇文章将重点介绍应力腐蚀断裂失效机理与案例研究，并分析比较应力腐蚀断裂其他环境作用条件下发生失效的特征。，由于应力腐蚀的测试方法与本文中重点分析之处结合联系不大，故不再本文中加以介绍。 二．应力腐蚀开裂特征 （1）引起应力腐蚀开裂的往往是拉应力。 这种拉应力的来源可以是： 1．工作状态下构件所承受的外加载荷形成的抗应力。 2．加工，制造，热处理引起的内应力。 3．装配，安装形成的内应力。 4．温差引起的热应力。 5．裂纹内因腐蚀产物的体积效应造成的楔入作用也能产生裂纹扩展所需要的应力。 （2）每种合金的应力腐蚀开裂只对某些特殊介质敏感。 一般认为纯金属不易发生应力腐蚀开裂，合金比纯金属更易发生应力腐蚀开裂。下表列出了各种合金风应力腐蚀开裂的环境介质体系，介质有特点：即
热裂纹和冷裂纹产生的原因 一、热裂纹的特征 热裂纹常发生在焊缝区，在焊缝结晶过程中产生的叫结晶裂纹，也有发生在热影响区中，在加热到过热温度时，晶间低熔点杂质发生熔化，产生裂纹，叫液化裂纹。 特征：沿晶界开裂（故又称晶间裂纹），断口表面有氧化色。 （2）热裂纹产生原因： ①晶间存在液态间层 焊缝：存在低熔点杂质偏析} 形成液态间层 热影响区：过热区晶界存在低熔点杂质 ②存在焊接拉应力 （3）热裂纹的防止措施： ①限制钢材和焊材的低熔点杂质，如S、P含量。 ②控制焊接规范，适当提高焊缝成形系数（即焊道的宽度与计算厚度之比）枣焊缝成形系数太小，易形成中心线偏析，易产生热裂纹。 ③调整焊缝化学成分，避免低熔点共晶物；缩小结晶温度范围，改善焊缝组织，细化焊缝晶粒，提高塑性，减少偏析。 ④减少焊接拉应力 ⑤操作上填满弧坑
二、冷裂纹的形态和特征 焊缝区和热影响区都可能产生冷裂纹，常见冷裂纹形态有三种 冷裂纹形态{ 焊道下裂纹：在焊道下的热影响区内形成的焊接冷裂纹，常平行于熔合线发展 焊指裂纹：沿应力集中的焊址处形成的冷裂纹，在热影响内扩展 焊根裂纹：沿应力集中的焊缝根部所形成的冷裂纹，向焊缝或热影响发展 a-焊道下裂纹；b-焊趾裂纹；c-焊根裂纹 特征：无分支、穿晶开裂、断口表面无氧化色。 最主要、最常见的冷裂纹为延迟裂纹（即在焊后延迟一段时间才发生的裂纹------- 因为氢是最活跃的诱发因素，而氢在金属中扩散、聚集和诱发裂纹需要一定的时间）。（2）延迟裂纹的产生原因 ①焊接接头存在淬硬组织，性能脆化。 ②扩散氢含量较高，使接头性能脆化，并聚集在焊接缺陷处形成大量氢分子，造成非常大的局部压力。（氢是诱发延迟裂纹的最活跃因素，故有人将延迟裂纹又称氢致裂纹） ③存在较大的焊接拉应力 （3）防止延迟裂纹的措施 ①选用碱性焊条，减少焊缝金属中氢含量、提高焊缝金属塑性 ②减少氢来源枣焊材要烘干，接头要清洁（无油、无锈、无水） ③避免产生淬硬组织枣焊前预热、焊后缓冷（可以降低焊后冷却速度） ④降低焊接应力枣采用合理的工艺规范，焊后热处理等 ⑤焊后立即进行消氢处理（即加热到250℃，保温2～6左右，使焊缝金属中的扩散氢逸出金属表面）。
焊接裂纹的分析与处理 我们在厂修车体、车架、转向架构架时经常会遇到焊缝或母材的裂纹。我们已经讲过裂纹的判断，判断出裂纹以后就需要对裂纹进行处理。如果我们在处理之前对裂纹没有一个准确的分析，就不可能制定出最佳的处理方案。因此必须要对裂纹进行认真的分折。 根据焊接生产中采用的钢材和结构类型不同，可能遇到各种裂纹，裂纹多产生在焊缝上，如焊缝上的纵向裂，焊缝上的横向裂。也可以产生在焊缝两侧的热影响区，焊缝热影响区的纵向裂，焊接影响的横向裂纹，焊接热影响区的焊缝贯穿裂纹，有时产生在金属表面，有时产生在金属内部，如焊缝根部裂、焊趾裂，有的裂纹用肉眼可以看到，有的则必须借助显微镜才能发现，有的裂纹焊后立即出现，有的则是放置或运行一段时间之后才出现。 1.焊缝裂纹的分类 根据裂纹的本质和特征，可分为五种类型：即热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂及应力腐蚀裂纹。 1.1热裂纹 热裂纹是在高温情况下产生的，而且是沿奥氏体晶界开裂，就目前的理解，把裂纹又分为结晶裂纹、液化裂纹、多边化裂纹三类。（1）结晶裂纹—结晶裂纹的形成期，是在焊缝结晶过程中且温度处在固相线附近的高温阶段，即处于焊缝金属的凝固末期固液共存阶段，由于凝固金属收缩时残存液相不足，致使沿晶开裂，故称结晶裂
纹，由于这种裂纹是在焊缝金属凝固过程中产生的，所以也称为凝固裂纹。 结晶裂纹的特征：存在的部位主要在焊缝上，也有少量的在热影响区，最常见的是沿焊缝中心长度方向上开裂，即纵向裂，断口有较明显的氧化色，表面无光泽，也是结晶裂纹在高温下形成的一个特征。（2）液化裂纹—焊接过程中，在焊接热循环峰值温度作用下，在多层焊缝的层间金属以及母材近缝区金属中，由于晶间层金属被重新熔化，在一定的收缩应力的作用下，沿奥氏体晶界产生的开裂，称为“液化裂纹”也称“热撕裂”。 液化裂的特征： ①易产生在母材近缝区中紧靠熔合线的地方（部分溶化区），或多层焊缝的层间金属中。 ②裂纹的走向，在母材近缝区中，裂纹沿过热奥氏体晶间发展；在多层焊缝金属中，裂纹沿原始柱状晶界发展，裂纹的扩展方向，视应力的最大方向而定，可以是横向或纵向；并在多层焊焊缝金属中，液化裂纹可以贯穿层间；在近缝区中的液化裂纹可以穿越熔合线进入焊缝金属中。 从被焊的材料上看，液化裂纹主要发生在含有铬、镍的高强度钢、奥氏体钢以及某些镍基合金等材料中。 （3）多边化裂纹--焊接时，焊缝或近缝区在固相线以下的高温区间，由于刚凝固的金属存在很多晶格缺陷(主要是位错和空位)和严重的物理及化学不均匀性，在一定的温度和应力作用下，由于晶格缺陷的
一、热裂纹产生的原因分析 1、焊缝中杂质和拉应力的存在 因为焊缝中的杂质在焊缝结晶过程中会形成低熔点结晶。原因是低熔点共晶物的存在.结晶时被推挤到晶界上，形成液态薄膜，凝固收缩时焊缝金属在拉应力作用下,液态薄膜承受不了拉应力而形成裂纹。热裂纹就轻易在焊缝金属中产生.所以要控制焊缝金属杂质的含量，减少低熔点共晶物的天生。同时由此可见结晶裂纹的产生是低熔点共晶体和焊接拉应力共同作用的结果，二者缺一不可。低熔点共晶体是产生结晶裂纹的内因，焊接拉应力是产生结晶裂纹的外因。 2、焊缝终端部位温度的变化 埋弧焊焊接时,当焊接热源靠近纵焊缝的终端部位时,焊缝端部正常的温度场将发生变化,越靠近终端其变化越大.由于引弧板的尺寸远比筒体小,其热容量也小得多,而熄弧板与筒体之间只靠定位焊连接,故可视为大部门不连续.所以终端焊缝部位的传热前提是很差的,致使该部位局部温度升高,熔池外形发生变化,熔深也将随之变大,同时熔池在高温下停留的时间也变长,熔池凝固的速度变慢,尤其当熄弧板尺寸过小、熄弧板与筒体之间的定位焊缝过短、过薄时更为明显. 焊缝外形对结晶裂纹的形成有显著的影响。熔宽与熔深比小易形成裂纹，熔宽与熔深比大抗结晶裂纹性较高。 3、焊接线能量的影响 因为埋弧焊所采用的焊接热输入量往往比其他焊接方法要大得多,焊接线能量的大小直接影响到焊缝的成形，而焊缝的成形外形又直接决定着焊缝凝固后的晶粒分布和低熔点共晶体的存在位置及受力情况，因而对结晶裂纹产生与否影响较大。另外,焊缝的横向收缩量远比间隙的张开量要小,使终端部位的横向拉伸力比其他焊接方法要大.这对开坡口的中厚板和不开坡口的较薄板尤为明显. 4、其他情况 如存在强制装配,装配质量不符合要求. 二、焊缝裂纹的性质及特点 终端裂纹形成的部位有时为终端,有时为距终端四周地区150mm范围内,有时为表面裂纹,有时为内部裂纹,而大多数情况是发生在终端四周的内部裂纹.裂纹与焊缝的波纹线相垂直，露在焊缝表面的有显著的锯齿外形。这些特征都是结晶裂纹的表现，除了结晶裂纹以外，其它类型的裂纹在低合金钢板自动埋弧焊时极为少见。在出产中我们发现低合金钢板自动埋弧焊结晶裂纹的产生有以下几个特点： 1、多泛起在第一遍焊接时。 2、厚度小于20mm的钢板的筒节纵缝的熄弧板处易产生结晶裂纹；而厚度大于20mm的低合金钢板在纵缝和环缝中都有可能无规律地泛起裂纹。 3、在钢板和焊剂的化学成分中碳及其它易产生热裂纹的有害合金成分偏上限或超过划定含量上限时易产生裂纹。 三、预防措施 从上述热裂纹产生原因分析可见,要克服埋弧焊热裂纹最主要的措施是: 1、减小焊接拉应力