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文檔簡(jiǎn)介
金屬焊接及斷口分析一、焊件失效分析的概念﹑目的和意義
(一)焊件失效分析的概念
焊件失效:在焊接產(chǎn)品的零部件組裝焊接過程中,由于產(chǎn)生裂紋、氣孔、夾雜等缺陷,或者產(chǎn)生變形,或者接頭產(chǎn)生嚴(yán)重脆化而使焊件喪失規(guī)定功能的質(zhì)量事故。焊件失效分析:針對(duì)焊件失效,在分析失效現(xiàn)場(chǎng)資料和背景資料的基礎(chǔ)上,通過一系列的物理化學(xué)試驗(yàn),獲得大量反映失效物理過程的信息,然后對(duì)這些信息通過由表及里、由此及彼、去粗取精、去偽存真的綜合分析,找出失效的原因,并采取相應(yīng)的措施消除隱患,從而保證焊件質(zhì)量的技術(shù)工作。(二)焊件失效分析的目的
找出焊件失效的原因,制定有效的解決措施,防止類似的事故再次發(fā)生。(三)焊件失效分析的意義
1、保證焊接產(chǎn)品的生產(chǎn)過程正常運(yùn)轉(zhuǎn),從而保證焊接產(chǎn)品的質(zhì)量。
2、促進(jìn)焊接技術(shù)不斷提高。
(一)焊接變形引起的失效
主要有以下幾種:1、縱向收縮變形(動(dòng)畫1)
2、橫向收縮變形
3、撓曲變形(動(dòng)畫2)
4、角變形(動(dòng)畫3)
5、波浪變形(動(dòng)畫4)
6、螺旋變形(動(dòng)畫5)
7、錯(cuò)邊變形(動(dòng)畫6)
二、焊件失效的種類和特征(二)焊接裂紋引起的失效
1、熱裂紋結(jié)晶裂紋、高溫液化裂紋、多邊化裂紋特征:(1)產(chǎn)生的溫度:上限稍高于焊縫名義固相線;下限略低于焊縫名義固相線。(2)產(chǎn)生的部位:焊縫、近縫區(qū)、多層焊層間(3)化學(xué)成分特點(diǎn):焊縫中S、P、或Ni等元素較多。(4)金相特征:沿一次結(jié)晶組織的晶界分布。(圖1)(5)斷口特征:宏觀:有明顯的氧化色彩;微觀:為沿晶液膜分離斷口。(圖2)2、冷裂紋
延遲裂紋、淬硬脆化裂紋、低塑性脆化裂紋特征:(1)產(chǎn)生的溫度:通常在Ms點(diǎn)以下。(2)產(chǎn)生的鋼種:低、中合金鋼,中、高碳鋼。(3)產(chǎn)生的部位:主要產(chǎn)生在HAZ:如焊趾、焊根、焊道下。(圖3)(4)產(chǎn)生的時(shí)間:幾乎都延遲一段時(shí)間。(5)金相特征:產(chǎn)生部位有淬硬組織;裂紋走向既有沿晶,又有穿晶。(6)斷口特征:仍有金屬光澤;對(duì)于低合金鋼,啟裂處和擴(kuò)展處:為準(zhǔn)解理,或沿晶,或兩者混合斷口;終斷區(qū):多為韌窩斷口。
以14MnMoNbB為例(圖4)3、再熱裂紋
特征:(1)產(chǎn)生的時(shí)間:焊后不產(chǎn)生,在焊后熱處理或高溫加熱過程中產(chǎn)生。(2)產(chǎn)生的溫度:對(duì)于低合金鋼、耐熱鋼,敏感再加熱溫度為500~700℃。(3)產(chǎn)生的鋼種:含有Cr、Mo、V、Ti、Nb的低合金鋼和含有Nb的奧氏體不銹鋼。(4)產(chǎn)生的部位:HAZ的過熱區(qū),走向大體與熔合線平行。(圖5)(5)應(yīng)力特征:焊后焊接接頭存在較大的殘余應(yīng)力或應(yīng)力集中。(6)金相特征:都是沿晶界開裂。(圖6)(7)斷口特征:幾乎都是冰糖狀的沿晶斷口。(圖7)4、層狀撕裂
特征:(1)產(chǎn)生的部位:HAZ或靠近接頭的母材。(2)產(chǎn)生的鋼種:不受鋼種限制,主要與鋼材中有帶狀分布的硫化物、硅酸鹽夾雜物等有關(guān)。(3)結(jié)構(gòu)和接頭特征:易在厚板結(jié)構(gòu)和T型、十字型或角接接頭中產(chǎn)生。(圖8)(4)應(yīng)力特征:有Z向拉伸應(yīng)力作用。(5)金相特征:宏觀:多呈階梯狀開裂;(圖9)微觀:裂紋走向既有穿晶也有沿晶。(6)斷口特征:宏觀:呈木紋狀;(圖10)微觀:平臺(tái)處多為準(zhǔn)解理斷口,可見到片狀、條狀或球狀?yuàn)A雜物;剪切壁處多為剪切韌窩斷口,也會(huì)出現(xiàn)準(zhǔn)解理斷口。(圖11)(三)焊接氣孔引起的失效
主要可分為兩大類氣孔:第一類氣孔:主要有氫氣孔、氮?dú)饪?溶解度突變)
特征:大多數(shù)分布在焊縫表面。氫氣孔較分散,斷面呈螺釘狀;(圖12)氮?dú)饪滓话闶浅啥殉霈F(xiàn)。第二類氣孔:主要有CO氣孔(反應(yīng))特征:大多數(shù)分布在焊縫內(nèi)部,沿一次結(jié)晶組織的晶界分布,呈條蟲狀。(圖13)(四)焊接夾雜引起的失效
主要有三類夾雜物:
1、氧化物夾雜如SiO2、MnO、FeO、TiO2等,一般多以硅酸鹽的形式存在,呈圓球形或點(diǎn)粒狀。(圖14)
2、氮化物夾雜主要是Fe4N,一般以針狀分布在晶粒上或貫穿邊界。(圖15)
3、硫化物夾雜主要是FeS、MnS,在焊縫中多呈球狀。MnS呈灰色,當(dāng)MnS內(nèi)溶解FeS時(shí)顏色會(huì)變淡。焊接接頭脆化能導(dǎo)致焊件開裂或斷裂。使接頭產(chǎn)生脆化的原因有:晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大——“粗晶脆化”產(chǎn)生脆化組織——“組織脆化”析出碳化物,氮化物等——“析出脆化”析出石墨——“石墨脆化”產(chǎn)生熱應(yīng)變時(shí)效——“熱應(yīng)變時(shí)效脆化”特征:
1、產(chǎn)生破壞時(shí),接頭承受的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)應(yīng)力。
2、破壞在突然之間發(fā)生。(五)焊接接頭脆化引起的失效3、呈現(xiàn)脆化斷口:
(1)解理(CF)斷口特征平坦型解理臺(tái)階(圖16)河流花樣(圖17)舌形花樣(圖18)扇形花樣(圖19)(2)準(zhǔn)解理(QC)斷口(圖20)特征:河流花樣短而彎曲,支流少,解理面小,且周圍有較多的撕裂棱。(3)沿晶(IC)斷口
特征:宏觀:表面平齊,呈白亮色顆粒狀。微觀:呈晶粒狀的多面體,冰糖狀。(圖21)
[典型的延性斷口]:宏觀:纖維狀,顏色發(fā)暗;微觀:韌窩(DR)斷口。(圖22)韌窩特征:斷口布滿大小不等的圓形或橢圓形的凹坑,凹坑中常有夾雜物或第二相粒子。三、焊件失效分析的基本思路和程序(一)基本思路
1.根據(jù)失效的背景資料和現(xiàn)場(chǎng)情況初步確定失效類型。
2.選擇試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行檢驗(yàn)。(二)分析程序
1.調(diào)查研究、收集資料
(1)調(diào)查失效現(xiàn)場(chǎng)
(2)調(diào)查失效背景
(二)分析程序
2.選取試樣3.失效分析實(shí)驗(yàn)
(1)化學(xué)分析試驗(yàn):包括體積成分分析和微區(qū)成分分析試驗(yàn)。
(2)宏觀分析試驗(yàn):包括宏觀金相分析和宏觀斷口分析試驗(yàn)。
(3)微觀分析試驗(yàn):包括微觀金相分析和微觀斷口分析試驗(yàn)。
(4)材料性能試驗(yàn)。
(5)模擬試驗(yàn)。
4.作出結(jié)論、制定措施。
四、焊件失效分析試驗(yàn)的方法(一)化學(xué)分析試驗(yàn)
1、體積成分分析試驗(yàn)?zāi)康模毫私夂缚p或母材成分是否符合要求。(1)化學(xué)分析法取樣:用電鉆取樣(圖23)分析:利用儀器通過化學(xué)分析進(jìn)行測(cè)定。(2)物理分析法有光譜法、磁法、熱電法等。這些方法都需要精密儀器,具有快速、靈敏的特點(diǎn)。例如,吸收光譜儀。
2、微區(qū)成分分析試驗(yàn)?zāi)康模簻y(cè)定夾雜物、第二相、晶界等微小范圍的元素含量或分布。測(cè)試儀器有:電子探針、離子探針、俄歇電子譜儀等。(二)金相分析試驗(yàn)
1宏觀金相分析試驗(yàn)首先對(duì)試樣進(jìn)行磨光、拋光和浸蝕,然后用50倍以下的放大鏡或光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。目的:觀察失效(裂紋)形態(tài)的全貌。
2微觀金相分析試驗(yàn)用50倍以上的光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。目的:分析失效局部的組織、顯微缺陷等。(三)斷口分析試驗(yàn)
1、宏觀斷口分析試驗(yàn)用肉眼或放大鏡(50倍以下)對(duì)試樣的斷口直接進(jìn)行觀察。目的:觀察斷口的全貌,判斷斷裂的性質(zhì),確定裂紋源的位置以及判斷裂紋的擴(kuò)展方向等。例如:
2、微觀斷口分析試驗(yàn)在掃描電子顯微鏡或透射電子顯微鏡下觀察。目的:對(duì)斷口表面作更深入、更細(xì)致的觀察,進(jìn)一步確認(rèn)斷裂的性質(zhì)。(四)材料性能試驗(yàn)
包括力學(xué)性能試驗(yàn)、焊接裂紋敏感性試驗(yàn)等。目的:復(fù)驗(yàn)材料的某項(xiàng)性能是否符合要求。例如:由于材料層狀撕裂的敏感性與其Z向拉伸抗力有關(guān),因此常進(jìn)行材料的Z向拉伸試驗(yàn),通過測(cè)定Z向斷面收縮率來(lái)判斷層狀撕裂的敏感性:當(dāng)ψz>25%時(shí),抗層狀撕裂性能優(yōu)
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