材料成型理論基礎(chǔ)課件 第九章 成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施

1第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施第一節(jié)內(nèi)應(yīng)力第二節(jié)焊接變形第三節(jié)裂紋2第一節(jié)內(nèi)應(yīng)力熱脹冷縮：金屬受熱溫度升高要發(fā)生體積膨脹，冷卻時(shí)溫度降低要發(fā)生體積收縮。焊接過程中的膨脹與收縮：由于焊接過程是局部加熱，焊件上的溫度分布不均勻，這使得膨脹與收縮也不均勻，在焊件上產(chǎn)生應(yīng)力與變形。固態(tài)相變引起的膨脹與收縮：不同相具有不同的密度，導(dǎo)致體積和形態(tài)發(fā)生變化，也會(huì)引起膨脹和收縮，帶來應(yīng)力與變形。例如從奧氏體到馬氏體的轉(zhuǎn)變將發(fā)生體積膨脹，帶來壓應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力：在沒有外力的作用條件下，平衡于物體內(nèi)部的應(yīng)力。焊接瞬時(shí)應(yīng)力：在焊件加熱和冷卻過程中某一瞬時(shí)焊件中存在的應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力：焊接完全冷卻、溫度均勻化后，殘存于焊件中的應(yīng)力。3第一節(jié)內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力的影響：內(nèi)應(yīng)力的存在對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量有很大的影響。在一定條件下，內(nèi)應(yīng)力影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、受壓穩(wěn)定性和加工精度。殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件承載能力的影響：殘余應(yīng)力的存在對(duì)構(gòu)件承載能力有很大的影響，特別是承受交變載荷的結(jié)構(gòu)和零件（影響構(gòu)件的疲勞壽命）。當(dāng)載荷作用的方向與構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力方向一致時(shí)，在內(nèi)、外應(yīng)力的共同作用下，很可能超過材料的強(qiáng)度極限，從而導(dǎo)致局部或整體的斷裂。如焊接構(gòu)件，當(dāng)局部?jī)?nèi)應(yīng)力很大時(shí)，常發(fā)生低應(yīng)力脆斷。此外，在腐蝕介質(zhì)中，還會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。因此，必須盡量減小焊件中的內(nèi)應(yīng)力。4一、內(nèi)應(yīng)力的形成（一）熱應(yīng)力（thermalstress）工件在受熱及冷卻過程中，由于各部分的溫度不同，冷卻速度不同而造成工件上在同一時(shí)刻各部分的收縮和膨脹量不同，從而導(dǎo)致彼此相互制約而產(chǎn)生的應(yīng)力。由于該應(yīng)力是由熱脹冷縮引起的，稱為熱應(yīng)力。金屬框架整體均勻加熱和冷卻：不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力中心桿件加熱：中心桿件上由于溫度升高而發(fā)生伸長，但其伸長受到兩側(cè)桿件的阻礙，不能自由進(jìn)行。因此中心桿件受到壓縮應(yīng)力的作用，而兩側(cè)桿件在阻礙中心桿件伸長的同時(shí)，也受到了中心桿件的反作用力，即受到拉伸應(yīng)力的作用。這種拉伸與壓縮應(yīng)力是在沒有外部應(yīng)力作用下形成的，而且在框架中相互平衡，稱為內(nèi)應(yīng)力。5

如果熱應(yīng)力較小，其值低于材料的屈服強(qiáng)度，則在框架內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)框架的溫度均勻化后，熱應(yīng)力也隨之消失。如果熱應(yīng)力較大，其值超過了材料的屈服強(qiáng)度，則框架的中心桿件將產(chǎn)生壓縮塑性變形。當(dāng)桿件溫度下降，恢復(fù)到原始狀態(tài)時(shí)，若框架的中心桿件能自由收縮，其長度必然比原來的短，其縮短量就是壓縮塑性變形量，其縮短率εs可按下式計(jì)算：E-彈性模量，Mpa；α-線脹系數(shù)，1/℃或1/K；△T-溫升，℃或K；負(fù)號(hào)表示內(nèi)應(yīng)力的方向與溫度升高的方向相反，即當(dāng)溫度升高時(shí)，內(nèi)應(yīng)力為負(fù)值，受到壓縮應(yīng)力的作用。（9-1）6實(shí)踐上，框架兩側(cè)的桿件阻礙著中心桿件的收縮，因此使中心桿件受到拉伸應(yīng)力的作用，兩側(cè)的桿件受到壓縮應(yīng)力的作用。在冷卻后的框架中則形成了新的內(nèi)應(yīng)力體系，即殘余應(yīng)力。（9-2）?L-縮短量；L0-原始長度；σs-屈服點(diǎn)；εs-屈服塑性變形。7

產(chǎn)生原因：在焊接過程中，由于熱源是移動(dòng)的，因此焊件的加熱是局部和不均勻的加熱過程。從焊接溫度場(chǎng)的溫度分布中可以看出，同一時(shí)刻離熱源中心距離不同點(diǎn)的溫度是不相同的。如果把焊件分成無數(shù)小的窄板條，便可將微元件的溫度當(dāng)作均勻的看待。這樣受熱的微元件在具有不同溫度的周圍桿件的作用下，將處于應(yīng)力狀態(tài)之中，即相當(dāng)于加熱時(shí)不能自由膨脹，冷卻時(shí)不能收縮的桿件，而其本身也將對(duì)周圍桿件產(chǎn)生制約的作用。（二）焊接應(yīng)力與變形8在鋼板中心堆焊時(shí)的應(yīng)力與變形如圖9-2所示。

平截面假定：焊接加熱和冷卻過程中工件端面始終保持平截面。焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生過程：加熱過程(9-1a)、冷卻過程(9-2b)。

曲線1為溫度分布曲線；曲線2為實(shí)際截面的位置，以及各部位所承受的拉伸或壓縮塑性變形；曲線3為殘留的壓縮塑性變形。

從圖中可以看出，焊縫及近縫區(qū)受到等于屈服強(qiáng)度的拉伸應(yīng)力，離開焊縫和近縫區(qū)的區(qū)域受到壓縮應(yīng)力，此時(shí)鋼板將產(chǎn)生縮短現(xiàn)象。實(shí)際截面位置實(shí)際截面位置原截面位置9（三）相變應(yīng)力相變應(yīng)力：金屬材料在固態(tài)相變過程中，各部分發(fā)生相變的先后時(shí)刻不同，各部分發(fā)生的相變程度也不同，由此產(chǎn)生的應(yīng)力稱為相變應(yīng)力。10Ⅰ：加熱，膨脹，體積隨溫度的升高而增大，至Ac1發(fā)生相變，F(xiàn)+P轉(zhuǎn)變?yōu)锳，由于A的體積比最小，因此體積要減??；至Ac3相變結(jié)束，其體積又隨溫度的升高而增大。

Ⅱ：低碳鋼冷卻；

Ⅲ：低合金鋼冷卻。

低碳鋼：相變溫度大于600℃，此時(shí)鋼材仍處于塑性狀態(tài)，無相變應(yīng)力。

合金鋼：由于合金元素的作用，高溫奧氏體的穩(wěn)定性增加，冷卻到200～350℃時(shí)才發(fā)生M轉(zhuǎn)變，并保留到室溫。由于M的比體積最大，因此鋼材的體積增大，產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力。使焊縫中心拉應(yīng)力有所下降，使最終的殘余應(yīng)力有所降低。11（四）機(jī)械阻礙應(yīng)力（拘束應(yīng)力）產(chǎn)生原因：焊件冷卻過程中產(chǎn)生的收縮受到外界的阻礙而產(chǎn)生應(yīng)力的作用，稱為機(jī)械阻礙應(yīng)力。焊接過程中采用的剛性固定裝置、工裝夾具、胎具等都會(huì)阻礙焊件的收縮，所產(chǎn)生的機(jī)械阻礙力可使工件產(chǎn)生拉應(yīng)力或切應(yīng)力。影響：若應(yīng)力在彈性范圍內(nèi)，當(dāng)阻礙消除后，則應(yīng)力將消失，不會(huì)產(chǎn)生有害影響。若阻礙應(yīng)力與其他應(yīng)力同時(shí)作用且方向一致時(shí)，則會(huì)使應(yīng)力加劇，甚至導(dǎo)致工件中出現(xiàn)裂紋。12綜上所述，焊件內(nèi)的應(yīng)力是熱應(yīng)力、相變應(yīng)力、以及機(jī)械阻礙應(yīng)力的總和。在冷卻過程中的某一瞬時(shí)，當(dāng)局部應(yīng)力的總和大于金屬在該溫度下的抗拉強(qiáng)度時(shí)，工件就會(huì)產(chǎn)生裂紋。此外，工件中的殘余應(yīng)力并非是永久性的，經(jīng)過熱處理，工件內(nèi)各部分的應(yīng)力會(huì)重新分配或消失。13二、焊接殘余應(yīng)力的分布焊接殘余應(yīng)力值的大小確定：試驗(yàn)測(cè)定，理論計(jì)算。焊接殘余應(yīng)力的分布：非常復(fù)雜，需掌握簡(jiǎn)單焊接接頭的殘余應(yīng)力分布，以便定性地分析具體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布狀況。焊接殘余應(yīng)力的分類縱向應(yīng)力：沿焊縫方向的應(yīng)力，x

。橫向應(yīng)力：垂直于焊縫方向的應(yīng)力，y

。厚度方向應(yīng)力：沿板厚度方向的應(yīng)力，z。薄板(<20mm)：為雙向應(yīng)力，不考慮厚度方向應(yīng)力。厚板：為三向應(yīng)力，考慮厚度方向應(yīng)力。14（一）縱向殘余應(yīng)力x的分布平板對(duì)接接頭縱向殘余應(yīng)力分布特點(diǎn)：

焊縫及近縫區(qū)為拉應(yīng)力，σmax可達(dá)到σs，離焊縫較遠(yuǎn)的母材中為壓應(yīng)力，拉應(yīng)力與壓應(yīng)力大小相等，是自平衡力系。

由于端面是自由邊界，其表面的應(yīng)力為0，即截面0-0上的σx=0。隨著離端面的距離增加，縱向應(yīng)力逐漸增大，如截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ，最后達(dá)到σs，如截面Ⅲ-Ⅲ?？梢?，低碳鋼長板條對(duì)接接頭的縱向殘余應(yīng)力存在過渡區(qū)與穩(wěn)定區(qū)。當(dāng)鋼板的長度較短時(shí)，焊縫中的σmax可小于σs。15圓筒上環(huán)形焊縫引起的縱向應(yīng)力分布特點(diǎn)：

圓筒的切向應(yīng)力，其分布與圓筒的直徑、厚度有關(guān)；

當(dāng)圓筒的直徑與厚度之比較大時(shí)，縱向應(yīng)力σx的分布與平板的情況類似；

若圓筒的直徑比較小時(shí)，σx就有所降低。16

（二）橫向殘余應(yīng)力y的分布

橫向殘余應(yīng)力的分布情況比較復(fù)雜。它分為兩個(gè)組成部分。其中，一個(gè)是由焊縫及附近塑性區(qū)的縱向收縮引起的，用y

表示；另一個(gè)是由焊縫及附近塑性區(qū)的橫向收縮的不同時(shí)性引起的，用y表示。17縱向收縮引起的橫向應(yīng)力y分布焊縫縱向收縮引起的橫向殘余應(yīng)力y

的分布18橫向收縮引起的橫向應(yīng)力y分布焊縫橫向收縮不同時(shí)性引起的橫向殘余應(yīng)力y的分布19橫殘余向應(yīng)力沿板寬的分布實(shí)踐證明橫向殘余應(yīng)力y主要取決于縱向收縮所引起的y

。201.合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：避免焊縫的交叉和密集；采用對(duì)接避免搭接；減小結(jié)構(gòu)的剛度。選擇合理的工藝及采取必要的措施：小線能量焊接，減小受熱范圍；安排合理的焊接順序。三、減小或消除焊接殘余應(yīng)力的途徑212223

減少焊接殘余應(yīng)力的措施熱處理、機(jī)械加載、共振法2425第二節(jié)焊接變形

焊接變形：由焊接導(dǎo)致的焊件的形狀尺寸發(fā)生變化。

殘余變形：焊后工件完全冷卻后，遺留下的變形。

整體變形

局部變形

主要分析殘余變形的種類、影響因素及控制變形的措施26一、焊接變形的基本形式收縮變形(a、b)、彎曲變形(c、e)、角變形(d)、螺旋形變形或扭曲變形(f)、波浪變形(g)27二、影響變形的因素1.材料熱物理性能

線脹系數(shù)越大(不銹鋼)，縱向和橫向的收縮越大。

導(dǎo)熱性好的金屬(鋁)，其線脹系數(shù)也大，高溫σs較低，變形也大2.工藝因素單層焊的縱向收縮量比多層焊大(因單層焊的熱輸入大，受熱面積增大，導(dǎo)致壓縮塑性區(qū)增大，因而收縮量大)

焊縫越長，使縱向和橫向收縮量越大。

坡口形狀(V形坡口比X形坡口的收縮量大)、焊縫位置的設(shè)置、結(jié)構(gòu)的剛度、裝焊順序等，都對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的變形有很大的影響。281.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

盡可能減少不必要焊縫；合理選擇焊縫的尺寸，在保證結(jié)構(gòu)承載能力的條件下盡量采用小的焊縫尺寸；對(duì)受力較大的T形接頭和十字接頭，在保證相同強(qiáng)度的條件下，采用開坡口的焊縫比不開坡口的角焊縫對(duì)減小變形有利。

圖9-12中b、c的接頭形式可減小焊縫的尺寸。

薄板結(jié)構(gòu)中，采用點(diǎn)焊代替熔焊，可減小焊接變形，如圖9-13。

合理安排焊縫位置，使其盡可能對(duì)稱于截面的中性軸、以及采用合適的坡口形式等，均可減小變形量。三、防止和減少焊接變形的方法29302.工藝措施

（1）反變形法這是焊接生產(chǎn)中最常用減小焊接變形的方法。

原理：根據(jù)結(jié)構(gòu)件變形的情況，預(yù)先給出一個(gè)方向相反、大小相等的變形，用來抵消結(jié)構(gòu)件在焊接過程中產(chǎn)生的變形，使焊接后的結(jié)構(gòu)件符合設(shè)計(jì)要求。

反變形的尺寸、形態(tài)應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)和經(jīng)驗(yàn)來確定。3132（2）剛性固定法

該方法是將焊件牢牢地固定在家具中進(jìn)行焊接，以限制其發(fā)生變形。

焊接法蘭盤：采用圖9-15所示的剛性固定法，將兩個(gè)法蘭背對(duì)背的被固定，可以有效地減小其角變形，使法蘭保持平直。333435（3）預(yù)留收縮量

在備料時(shí)，預(yù)先考慮加放收縮余量。

收縮量的大小可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)。36（4）合理的工藝采用熱輸入較小的焊接方法，選擇合適的焊接參數(shù)，合理的施焊順序。

采用CO2焊代替焊條電弧焊，采用真空電子束焊或激光焊(焊縫很窄)，采用多層焊代替單道焊，采用小熱輸入焊接，均有利于減小焊接變形。

圖9-17，焊縫1、2造成的彎曲變形大于焊縫3、4，焊后將出現(xiàn)下彎，如將焊縫1、2適當(dāng)分層焊，每層采用小熱輸入，則完全可以使上、下彎曲變形相抵消，焊后成為平直的構(gòu)件。37大型構(gòu)件，如儲(chǔ)油罐、船體、車輛底架等，可將結(jié)構(gòu)件適當(dāng)分成幾個(gè)部分，分別加以裝配焊接，然后再將焊好的部件拼成整體?？梢允蛊渲胁粚?duì)稱的或收縮力較大的焊縫，能自由收縮，而不影響整體結(jié)構(gòu)，從而有效地控制焊接變形。

正確的裝配順序，圖9-18為船體合攏時(shí)焊縫的焊接順序，可見，對(duì)稱的焊縫是同時(shí)進(jìn)行的，遠(yuǎn)離中性軸的焊縫先焊，靠近中性軸的焊縫后焊。由雙數(shù)焊工同時(shí)焊接整個(gè)環(huán)焊縫，使沿著整個(gè)對(duì)接縫的加熱膨脹和冷卻收縮同時(shí)進(jìn)行。38（5）焊接變形的矯正機(jī)械矯正、火焰矯正、綜合矯正1）機(jī)械矯正利用機(jī)械力使構(gòu)件產(chǎn)生與焊接變形方向相反的塑性變形，以消除原有的焊接變形。39402）火焰矯正采用火焰局部加熱使構(gòu)件產(chǎn)生壓縮塑性變形，利用冷卻后產(chǎn)生的收縮變形來矯正原有的變形。

低碳鋼或低合金鋼構(gòu)件，采用氣焊焊炬進(jìn)行600~800℃的加熱。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和變形情況，可采用單點(diǎn)、多點(diǎn)、三角形及火焰沿直線加熱等方式。

火焰矯正的效果與加熱位置和加熱范圍的選擇有關(guān)。413）綜合矯正采用機(jī)械與火焰兩種方法同時(shí)矯正焊接變形，效果更好。42第三節(jié)裂紋

裂紋的定義：在應(yīng)力與致脆因素的共同作用下，使材料的原子結(jié)合遭到破壞，形成新界面時(shí)產(chǎn)生的縫隙稱為裂紋。

特點(diǎn)：具有尖銳的缺口和長寬比大的特征，是一種斷裂形態(tài)的缺陷。

裂紋是焊接結(jié)構(gòu)中最為重要的缺陷，其危害性極大，給生產(chǎn)帶來困難，帶來災(zāi)難性事故。

壓力容器的爆炸、橋梁的斷裂等，絕大多數(shù)是由裂紋引發(fā)的脆性破壞，是引起脆性破壞的主要原因。43第三節(jié)裂紋一、焊接裂紋的分類：按形成機(jī)理分主要有熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋、應(yīng)力腐蝕裂紋和層狀撕裂等。44焊接裂紋可以出現(xiàn)在焊接過程中，如熱裂紋和大部分冷裂紋。

有時(shí)出現(xiàn)在放置或運(yùn)行過程中，如冷裂紋中的某些延遲裂紋和應(yīng)力腐蝕裂紋。

有的出現(xiàn)在焊后熱處理或再次受熱過程中，如消除應(yīng)力裂紋等。

按產(chǎn)生裂紋的本質(zhì)來分，可以分為五大類，它們的形成時(shí)期、分布部位及基本特征如表9-4所示。454647二、熱裂紋（一）熱裂紋的形成條件及其特征1.熱裂紋的形成條件：焊縫凝固過程中，在枝晶間存在低熔共晶的薄層（主要是硫化物偏析），此時(shí)材料的塑性變形能力很低，在冷卻過程中不可避免的產(chǎn)生收縮應(yīng)變（ε），當(dāng)收縮應(yīng)變量大于材料此時(shí)的塑性應(yīng)變能力δmin時(shí)，將產(chǎn)生焊接熱裂紋，即

ε≥δmin

焊縫在凝固過程中所出現(xiàn)的晶間塑性變形應(yīng)變能力差的應(yīng)變區(qū)間叫做“脆性溫度區(qū)”，它具有最低的延性，易于促使產(chǎn)生熱裂紋。不同材料有不同的脆性溫度區(qū)，溫度區(qū)越大，產(chǎn)生熱裂紋的危險(xiǎn)性越大。48脆性溫度區(qū)如圖9-23所示，表明有兩類裂紋：1）與液膜有關(guān)的裂紋，圖中的Ⅰ區(qū)，裂紋出現(xiàn)在金屬凝固的末期TS附近；2）與液膜無關(guān)的裂紋，圖中的Ⅱ區(qū)，裂紋出現(xiàn)溫度位于奧氏體再結(jié)晶溫度TR附近。492.熱裂紋的特征1）與液膜有關(guān)的裂紋凝固（結(jié)晶）裂紋：凝固末期，TS附近，因晶間殘存液膜所造成的熱裂紋被稱為凝固裂紋，易在焊縫中心形成。液化裂紋：近縫區(qū)由于過熱，晶間出現(xiàn)液化，造成晶間液膜分離的開裂現(xiàn)象。特征：沿晶液膜分離的斷口特征，晶界面很圓滑，斷口有明顯的氧化色彩。2）與液膜無關(guān)的熱裂紋高溫失延裂紋：與再結(jié)晶相聯(lián)系而導(dǎo)致晶間的延性陡降，造成沿晶開裂多邊化裂紋：由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而形成多邊化晶界(亞晶界)，延性下降以致的開裂。特征：不多見，偶爾在單相奧氏體鋼中見到，其微觀斷口顯示出柱狀晶明顯的方向性，但無液膜分離特征、斷口粗糙不光滑。502.熱裂紋的特征焊接熱裂紋可以出現(xiàn)在焊縫，也可出現(xiàn)在近縫區(qū)，包括多層焊焊道間的熱影響區(qū)。凝固裂紋只存在于焊縫中，特別容易出現(xiàn)在弧坑之中，形成“弧坑裂紋”。宏觀上可見的熱裂紋，斷口均有教明顯的氧化色彩，可作為初步判斷裂紋是否為熱裂紋的判據(jù)。焊接時(shí)近縫區(qū)產(chǎn)生的熱裂紋，一般都是微裂紋，并且很難發(fā)現(xiàn)。51（二）熱裂紋的形成機(jī)理在L相和L-S階段不會(huì)產(chǎn)生凝固裂紋S-L階段易產(chǎn)生裂紋，這一溫度區(qū)間稱為“脆性溫度區(qū)”TBTB越大，凝固裂紋越易產(chǎn)生S相階段不會(huì)產(chǎn)生凝固裂紋1.凝固裂紋的形成機(jī)理52凝固裂紋的形成條件：

ε>δminε--ＴB區(qū)間內(nèi)的產(chǎn)生的應(yīng)變量δmin--焊縫的最低延性/T--應(yīng)變?cè)鲩L率TH--脆性溫度區(qū)間的上限，為枝晶開始交織長合的溫度。TS‘--脆性溫度區(qū)間的下限，為液膜完全消失的實(shí)際固相線。53低延性或脆化只是產(chǎn)生裂紋的條件之一，是內(nèi)因，是否產(chǎn)生裂紋，還需要看在脆性溫度區(qū)內(nèi)的應(yīng)變發(fā)展情況，這是產(chǎn)生裂紋的必要條件。應(yīng)變?cè)鲩L率/T為直線1時(shí)，ε<δmin

，不會(huì)產(chǎn)生凝固裂紋/T為直線2時(shí)，

ε≈δmin

，產(chǎn)生凝固裂紋的臨界條件，此時(shí)的/T稱為“臨界應(yīng)變?cè)鲩L率”/T為直線3時(shí)，

ε>δmin

，產(chǎn)生凝固裂紋54脆性溫度區(qū)TB的大小TB↑(拉應(yīng)力作用時(shí)間↑，應(yīng)變量↑)→裂紋傾向↑合金材料在TB

區(qū)間具有的延性δmin的大小δmin↓→裂紋傾向↑脆性溫度區(qū)內(nèi)的應(yīng)變?cè)鲩L率/T/T↑→裂紋傾向↑冶金因素力學(xué)因素可見，是否產(chǎn)生凝固裂紋取決于以下三方面的因素：三者之間既相互聯(lián)系、相互影響，又相對(duì)獨(dú)立。TB的大小和金屬在TB區(qū)的延性δmin：化學(xué)成分、凝固條件、偏析程度、晶粒大小和方向等冶金因素。/T：線脹系數(shù)、焊件的剛度、收縮阻力及溫度場(chǎng)的分布等力學(xué)因素。55不同材料的TB大小不同，最低延性δmin的大小也不同，因而臨界應(yīng)變?cè)鲩L率也各不相同。焊接時(shí)臨界應(yīng)變?cè)鲩L率，用CST表示：反映與材料成分有關(guān)的熱裂紋敏感性。CST越大，材料的熱裂紋敏感性越小。結(jié)構(gòu)鋼的CST≥6.5×10-4。為了防止凝固裂紋，須滿足：

/T<CST562.近縫區(qū)的液化裂紋在焊接熱循環(huán)峰值溫度的作用下，在熱影響區(qū)的近縫區(qū)和多層焊層間的熱影響區(qū)，由于含有較多的低熔共晶，而沿晶界被重新熔化，在拉伸應(yīng)力的作用下沿奧氏體晶界發(fā)生開裂。與凝固裂紋類似，均與液膜有關(guān)，都是沿晶斷裂，斷口中會(huì)看到局部有樹枝狀突起。與偏析造成的共晶反應(yīng)有關(guān)。多見于奧氏體鋼和鎳基合金：如Ni75Cr15Fe近縫區(qū)，雜質(zhì)Mg強(qiáng)烈偏析，晶間形成共晶液膜，產(chǎn)生液化裂紋。液化裂紋尺寸不大，但是會(huì)誘發(fā)凝固裂紋、冷裂紋等其他裂紋。2.液化裂紋的形成機(jī)理572.近縫區(qū)的液化裂紋高溫失延裂紋：溫度低于液相線的無液膜晶間斷裂。晶格缺陷發(fā)生移動(dòng)和聚集，形成二次邊界導(dǎo)致的高溫低塑性造成，因此又叫多邊化裂紋。開裂模式：楔形開裂、空穴開裂3.高溫失延裂紋的形成機(jī)理（多邊化裂紋）58（三）焊接熱裂紋的影響因素1.冶金因素對(duì)熱裂紋的影響：化學(xué)成分、凝固組織形態(tài)（1）化學(xué)成分對(duì)熱裂紋的影響1）合金元素對(duì)凝固溫度區(qū)的影響

影響凝固溫度區(qū)的大小，塑性的大小

裂紋傾向隨著凝固溫度區(qū)的增大而增大

圖中陰影：隨合金元素含量的增加，凝固溫度區(qū)增大，在S點(diǎn)達(dá)到最大值，脆性溫度區(qū)最大，裂紋的傾向最大

合金元素含量進(jìn)一步增加，凝固溫度區(qū)和脆性溫度區(qū)反而減小，裂紋傾向降低

實(shí)線和虛線分別為平衡狀態(tài)和實(shí)際條件下的凝固溫度區(qū)間和裂紋傾向。

為防止熱裂紋，采用超合金化的方法，即合金元素含量超過S點(diǎn)，產(chǎn)生更多的易熔共晶而產(chǎn)生“愈合”作用。59

利用合金的相圖來分析焊件的凝固裂紋的傾向。

虛線為裂紋傾向的變化

合金的凝固溫度區(qū)間越大，凝固裂紋的傾向就越大。60由Fe-C平衡相圖可知，含碳量增加，初生相可由δ相變?yōu)棣孟郤、P在γ相中的溶解度比在δ相中低很多，見表9-7

若初生相或凝固結(jié)束前是γ相，則被析出的S和P富集在晶界，裂紋傾向增大2）合金元素的影響S、P：極易偏析，易形成低熔點(diǎn)共晶，使凝固溫度區(qū)間增大以及形成液態(tài)薄膜，增大凝固裂紋的傾向。C：影響凝固裂紋的主要元素，并能促使S、P的偏析61Mn：具有脫硫作用，與FeS反應(yīng)生成MnS，同時(shí)也改善硫化物的分布形態(tài)，由薄膜狀改變?yōu)榍驙?，提高焊縫的抗裂性。為防止熱裂紋需提高焊縫金屬中的Mn/S比。當(dāng)C含量大于0.10%時(shí)，Mn/S應(yīng)大于22；綜合而言，希望焊縫的含碳量不超過0.12%，同時(shí)控制Mn/S的比值合金元素的熱裂紋敏感系數(shù)HCS：當(dāng)HCS<4時(shí)，則可以防止熱裂紋的產(chǎn)生。62對(duì)于奧氏體鋼或合金：Ni：含量高，與S、P形成更低熔點(diǎn)的共晶，熱烈紋的傾向更大，特別是P的危害更大。奧氏體焊縫中，各元素對(duì)熱裂紋的敏感系數(shù)：當(dāng)HCI<15時(shí)，可防止產(chǎn)生凝固裂紋。63（2）凝固組織形態(tài)對(duì)熱裂紋的影響奧氏體鋼：凝固后晶粒的大小、形態(tài)和方向以及析出的初生相等對(duì)抗裂性有很大影響晶粒越粗大，方向越明顯，熱裂傾向越大細(xì)化晶粒：Ti、Mo、V、Nb、Al和稀土元素，破壞液態(tài)薄膜的連續(xù)性，打亂柱狀晶的方向。18-8鋼：希望得到γ+δ雙相焊縫組織，因δ相可以細(xì)化晶粒，并打亂奧氏體粗大柱狀晶的方向性；同時(shí)，δ相還有比γ相溶解更多S、P的有利作用，因而焊縫的抗裂性得到提高。因此應(yīng)在焊接材料中加入鐵素體化元素，如Cr、Si等。64低合金鋼焊縫，熱裂紋的主要影響因素是雜質(zhì)元素的偏析作用，可通過提高M(jìn)n/S比值，降低裂紋傾向Cr-Ni奧氏體鋼焊縫，需嚴(yán)格控制焊縫金屬中的S、P含量，同時(shí)加入合適的微量合金元素，細(xì)化晶粒，打亂粗大的柱狀晶的方向。圖示，在單相粗大奧氏體柱狀晶之間有鐵素體存在時(shí)，可以細(xì)化晶粒和打亂柱狀晶的方向性。652.工藝因素對(duì)熱裂紋的影響采用合適的焊接工藝盡量減少有害元素的偏析，并降低應(yīng)變?cè)鲩L率。（1）熔合比的影響減少母材雜質(zhì)對(duì)熱裂紋的影響：盡量減小熔合比，開大坡口，減小熔深；或者采用隔離層堆焊法異種焊接，例如蒙耐爾合金(Ni-Cu)合金與低碳鋼采用Ni基焊條焊接時(shí)，由于Cu-Fe不能共存，必須減少低碳鋼一側(cè)的熔化量66（2）成形系數(shù)焊接參數(shù)與接頭形式對(duì)焊縫枝晶成長有重要影響，從而影響到枝晶偏析或區(qū)域偏析。

成形系數(shù)φ的定義：

φ=B/H67不同形式的接頭對(duì)裂紋傾向的影響

表面堆焊

和熔深較淺的對(duì)接焊縫抗裂性較高，a、b熔深較大的對(duì)接和各種角接焊縫抗裂性較差，c、d、e、f

應(yīng)力作用在焊縫最后凝固的部位，這些部位富集雜質(zhì)元素，晶粒之間的結(jié)合力較弱所致

對(duì)于對(duì)接焊縫，一般要求Φ>1，即焊縫的計(jì)算厚度不要超過焊縫的寬度抗裂性較好68焊接速度的影響：高速焊熱裂紋傾向大，與結(jié)晶有關(guān)，易形成對(duì)向晶，雜質(zhì)在會(huì)合面偏析聚集。熔池形狀系數(shù)φ'

φ'=B/Lφ'不能太小69（3）拘束度的影響降低拘束度可減小焊縫的應(yīng)變量及應(yīng)變?cè)鲩L率，可以減小裂紋傾向。合理布置焊縫合理安排施焊順序厚板焊接應(yīng)以多層焊代替單道焊，減小熱輸入總之，產(chǎn)生熱裂紋的影響因素很復(fù)雜，冶金因素和工藝因素之間既有內(nèi)在的聯(lián)系，又有各自的特點(diǎn)。裂紋的產(chǎn)生是二者共同作用的結(jié)果，實(shí)際情況下，必須找出主要問題，采取相應(yīng)的措施。70（四）防止焊接熱裂紋的措施主要是控制焊縫金屬的成分和調(diào)整焊接參數(shù)。1.焊縫成分的控制（1）選擇合適的焊接材料鋁合金采用超合金化的原理來防止熱裂紋：Al-Mg合金，母材含Mg3.5，因此選用焊絲含Mg大于5%；Al-Mn合金選用焊絲含Mg大于8%結(jié)構(gòu)鋼：焊縫C含量小于0.1%，Mn/S大于22。焊縫中加入細(xì)化晶粒的元素，如Mo、V、Ti、Nb等也可提高抗裂性71（2）限制有害的雜質(zhì)S、P：各種材料都必須限制含量單相奧氏體焊縫：Si、Nb易形成低熔共晶，有害，應(yīng)限制含量δ+γ雙相奧氏體焊縫：Si和Nb作為鐵素體化元素，有利，促使δ相形成，反而有利于提高抗裂性。結(jié)構(gòu)鋼和單相奧氏體鋼的焊縫，提高含Mn量可改善抗裂性；但Mn與Cu共存會(huì)互相促進(jìn)偏析，反而對(duì)提高抗裂性不利鎳基合金焊縫：因Cu-Fe不能共存，蒙乃爾(Ni-Cu)合金與鋼焊接時(shí)，焊縫中的Fe就稱為有害元素722.調(diào)整焊接工藝（1）適宜的焊接參數(shù)（2）控制焊縫金屬成形系數(shù)（3）減小熔合比（4）減小拘束度73三、冷裂紋

冷裂紋是焊件在焊接冷卻到室溫附近產(chǎn)生的一種裂紋，它是焊接缺陷中最普遍而又極危險(xiǎn)的一種。包括淬火裂紋、氫致裂紋和低塑性脆化裂紋。主要討論氫致裂紋（Hydrogen-inducedCracking,HIC）或稱之為延遲裂紋（DelayedCracking）。74（一）冷裂紋的形成條件及其特征1.形成條件：

δmin≤ε即局部區(qū)域的延性δ不足以承受當(dāng)時(shí)應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變量ε。ε與工件的拘束應(yīng)力有關(guān)。δmin取決于材料的致脆因素，主要是淬硬組織和氫的作用。發(fā)生的溫度：Ms以下，冷裂紋（與熱裂紋相區(qū)別）淬硬傾向較大的鋼種焊接時(shí)容易出現(xiàn)，如中C、高C和高強(qiáng)度鋼。Cr-Ni奧氏體鋼因其具有低的彈性極限低和高的塑性，很少形成冷裂紋。752.冷裂紋的分布特形態(tài)與特征焊道下、焊根、焊趾部位易出現(xiàn)冷裂紋。（1）分布形態(tài)焊趾裂紋：起源于母材與焊縫的交界處，有明顯的應(yīng)力集中部位。走向與焊道平行，由焊趾表面開始向母材的深處擴(kuò)展。焊道下裂紋：經(jīng)常發(fā)生在脆硬傾向較大，含氫量較高，距焊縫邊界0.1~0.2mm的HAZ中。走向大致與熔合線平行，或垂直于熔合線焊根裂紋：是延遲裂紋中比較常見的一種形態(tài)，主要發(fā)生在含氫量較高、預(yù)熱溫度不足的情況下。起源于焊縫根部應(yīng)力集中最大的部位。可能出現(xiàn)在HAZ的粗晶區(qū)，也可能出現(xiàn)在焊縫金屬中，這決定于母材與焊縫的強(qiáng)韌程度及根部的形狀。實(shí)際生產(chǎn)中還有其他類型的冷裂紋，例如某超高強(qiáng)鋼筒形容器焊接后，在焊縫和母材均出現(xiàn)很多橫向和縱向微裂紋，具有延遲開裂的特性，經(jīng)過一段時(shí)間之后，有的已經(jīng)擴(kuò)展為宏觀裂紋。7677（2）特征1）有延遲特征的冷裂紋不是在焊后馬上出現(xiàn)，經(jīng)過一段時(shí)間后才出現(xiàn)，如焊道下裂紋與滲氫鋼的延遲開裂相似，分為潛伏期、緩慢擴(kuò)展和突然開裂三個(gè)相互聯(lián)系的階段。裂紋的擴(kuò)展斷斷續(xù)續(xù)，有清晰的開裂聲。研究表明，具有延遲特征的冷裂紋主要是由于氫的作用而造成的，因此又稱為“氫致裂紋”。2）無延遲特征的冷裂紋淬硬傾向大的鋼材，冷裂紋無延遲特征。一些塑性較低的合金材料焊接時(shí)，只要冷卻到較低的溫度，就會(huì)出現(xiàn)冷裂紋。這類裂紋與氫無關(guān)，主要與淬硬組織有關(guān)，稱為“淬火裂紋”。鑄鐵和硬質(zhì)合金等脆性材料焊接時(shí)，很容易產(chǎn)生冷裂紋，無延遲性。由于材料本身的低塑性造成開裂，稱“低塑性脆化裂紋”或“應(yīng)力裂紋”。783）斷口特征宏觀上，斷口具有發(fā)亮的金屬光澤，呈典型的脆性斷裂特征。微觀上，有的呈晶間斷裂(即沿晶斷裂)，有的呈穿晶斷裂，常見的是沿晶斷裂與穿晶斷裂共存。當(dāng)裂紋是氫致裂紋時(shí)，有氫致準(zhǔn)解理斷口，隨著脆硬傾向的增大，沿晶斷裂的特征明顯。多數(shù)情況下，啟裂點(diǎn)是沿晶斷裂，在擴(kuò)展過程可以是沿晶斷裂，也可以是穿晶斷裂。79（二）冷裂紋的形成及延遲機(jī)理1.形成機(jī)理及臨界條件三大因素：鋼的淬硬傾向、氫含量及其分布、拘束應(yīng)力的狀態(tài)（1）氫的作用氫在延遲裂紋的形成中起主要作用，它決定了裂紋的延遲特點(diǎn)和斷面上的氫脆開裂特征。H在金屬中的溶解特點(diǎn)：液態(tài)大量溶入，低溫時(shí)溶解度急劇下降，過飽和析出；快速冷卻導(dǎo)致大量H被滯留于焊縫金屬中擴(kuò)散氫：100℃以上H逸出金屬，-100℃以下H的擴(kuò)散受抑制，兩種情況下均不會(huì)出現(xiàn)裂紋。-100~100℃范圍，氫在金屬的晶格中能自由擴(kuò)散，稱為“擴(kuò)散氫”，才對(duì)氫致裂紋起作用。H的擴(kuò)散：原子半徑小，易于擴(kuò)散；在“濃度擴(kuò)散”、“相變誘導(dǎo)擴(kuò)散”、“應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散”等驅(qū)動(dòng)力作用下，出現(xiàn)氫致裂紋。80H在致裂過程中的動(dòng)態(tài)行為：焊縫與母材成分的不同,組織轉(zhuǎn)變先后時(shí)間不同導(dǎo)致熔合線附近氫的富聚。當(dāng)該區(qū)由A向M轉(zhuǎn)變時(shí)，H被過飽和保留于M中。若該區(qū)域存在晶格缺陷等缺口效應(yīng)，又促使H向應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行擴(kuò)散并聚集。當(dāng)H的濃度足夠高時(shí)，就可能導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。81（2）鋼材的淬硬傾向鋼種的淬硬傾向越大，越易產(chǎn)生冷裂紋。與淬硬相的脆性相關(guān)。M：硬、脆，焊接時(shí)近縫區(qū)易過熱，形成粗大M，性能脆硬，且對(duì)氫脆敏感。M越多，冷裂傾向越大；C含量越高，越易形成高碳M，冷裂傾向加大。低碳M：因MS點(diǎn)較高，有自回火作用，性能較好，組織對(duì)裂紋的敏感性由低到高排序：F或P—BL—ML—BU—BG—MT鋼種生成M，特別是MT的傾向越大，對(duì)延遲裂紋越敏感，且淬硬傾向越大，產(chǎn)生延遲裂紋的可能性越大。82用碳當(dāng)量來衡量鋼種淬硬傾向及引起冷裂的傾向

碳含量越高，或含合金元素越多，鋼材的淬硬傾向越大，形成M的數(shù)量越多，則清脆的敏感性越強(qiáng)。

當(dāng)形成MT時(shí)，裂紋的敏感性最強(qiáng)，沒有氫的作用也可能產(chǎn)生裂紋。

由圖9-39可知，碳當(dāng)量越高，臨界含氫量Hcr(擴(kuò)散氫)越低。

因此，對(duì)淬硬傾向大的鋼種必須嚴(yán)格控制含氫量。組織因素中，除了鋼材的淬硬傾向外，還與析出相和非金屬夾雜物的特征與形態(tài)有關(guān)。凡是能促使回火脆性的析出物(如雜質(zhì)P)都會(huì)增加氫脆的敏感性。鋼中的夾雜物如MnS等，若以細(xì)小的球狀存在時(shí)，能降低氫脆的敏感性；若夾雜物以條狀或紡錘狀存在時(shí)，會(huì)降低與基體之間的結(jié)合力，而且其高應(yīng)力區(qū)，當(dāng)受力方向與夾雜物的分布方向相垂直時(shí)，應(yīng)力集中嚴(yán)重。在應(yīng)力誘導(dǎo)