焊接热裂纹摘要.ppt

6.2 焊接热裂纹 6.2.1 结晶裂纹的形成机理 结晶裂纹都是沿焊缝树枝状晶的交界处发生和发展的。 焊缝金属凝固结晶的后期，低熔点共晶被排挤在柱状晶交遇的中心部位，形成“液态薄膜”（Liquation film）。 由于收缩而受到 了拉伸应力，焊缝中 的液态薄膜薄弱地带 开裂而形成结晶裂纹。 各种材料中形成 低熔共晶的元素，其 共晶温度如下： 综上所述，产生结晶裂纹的原因，就在于焊缝中存在液态薄膜和在焊缝凝固过程受到拉伸应力共同作用的结果。 因此，液态薄膜是产生结晶裂纹的内因；拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条件。 熔池的结晶大致分为三个阶段： 1）液态阶段 2）固液阶段 3）完全凝固阶段 当温度高于或低于a～b之间的脆性温度区间时，焊缝金属都有较大的抵抗结晶裂纹的能力。 低熔共晶是产生裂纹的主要根源，但低熔共晶的数量超过一定限界后，而具有“愈合”裂纹作用。 分析拉伸应力与脆性温度区间内金属塑性的关系如图。 生产结晶裂纹的条件分析： 当应变随温度按曲线1变化，只产生变形 ，焊缝仍具有相当塑性储备 。即 塑性储备大于 ，不会产生裂纹。 当按曲线2变化时，拉伸产生应变等于最低塑性值， ，处于临界状态。 当按曲线3变化，拉伸产生应变超过金属脆性温度区间具有的最低塑性， 必将产生裂纹。 产生结晶裂纹的条件：焊接在脆性温度区间所承受的拉伸应变大于焊缝金属所具有的塑性，或焊缝金属在脆性温度区间的塑性储备量小于零时，就会产生结晶裂纹。 焊缝是否产生结晶裂纹主要决定于三个方面： ① 脆性温度区间TB的大小 TB越大，焊缝收缩产生拉伸应力作用时间越长，产生变形量越大，故产生裂纹倾向越大。TB大小决定于化学成分、低熔共晶的性质及分布、晶粒大小及方向性等。 ② 脆性温度区内金属的塑性 TB内焊缝金属的塑性越小，越容易产生结晶裂纹。塑性与化学成分、偏析程度、晶粒大小及应变速率等有关。 ③ 脆性温度区间内的应变增长率 TB内，随温度下降，由于收缩生产的拉伸应力增大，应变的增长率也将增大，就容易生产结晶裂纹。应变增长率的大小主要决定于金属的热胀系数、接头刚度、焊缝位置、线能量大小及温度场分布。 6.2.2 结晶裂纹的影响因素 冶金因素对产生结晶裂纹的影响 合金状态图的类型和结晶温度区间 研究表明，结晶温度区间越大，裂纹倾向越大。 合金元素对产生结晶裂纹的影响 硫与磷 S、P增加结晶裂纹倾向。 形成多种低熔共晶，极易形成液态薄膜，显著增大裂纹倾向。 S、P在钢中极易偏析的元素。 ② 碳 碳是影响结晶裂纹在主要元素，并加剧其他有害元素的有害作用。 由于含碳增加初生相由δ→γ，硫、磷在γ相中溶解度比在δ低得多。 ③ 锰 Mn具有脱硫作用，能置换FeS为MnS，同时也能改善硫化物的分布形态，使薄膜状FeS改变为球状分布，提高抗裂性。 C≥0.1% Mn/S≥22 C=0.11～0.125 % Mn/S≥30 C=0.126～0.155 % Mn/S≥59 ④ 硅 Si是δ相形成元素，应有利于消除结晶裂纹，但含量超过0.4%，容易形成夹杂，增加裂纹倾向。 ⑤ 钛、锆和稀土 Ti、Zr、Ce和La与S形成高熔点的硫化物（TiS 2000℃，ZrS 2100℃，La2S3 2000℃， CeS 2450℃），对消除结晶裂纹有良好作用。 ⑥ 镍 Ni在低合金钢中易于S形成低熔共晶（Ni与Ni3S2共晶点645℃），促进结晶裂纹形成。 ⑦ 氧 O对结晶裂纹的影响，尚无定论。实验表明，有一定含氧量，能降低S害。 合金元素对结晶裂纹的影响重要且复杂，C、S、P影响最大，其次Cu、Ni、Si、Cr等，N、O等尚无一致意见。 JWS用HT100低合金钢得出临界应变增长率CST公式 当CST≥6.5×10-4时，可防止裂纹。 对于一般低合金高强钢，热裂敏感系数HCS公式 当HCS4时，可防止裂纹。 对美国YH-130一类钢，HCS公式 当HCS≤2时，可防止裂纹 凝固结晶组织形态对结晶裂纹的影响 晶粒大小、形态和方向，以及析出的初生相等对抗裂性有很大影响。 晶粒越粗大，柱状晶的方向越明显，则结晶裂纹倾向性就越大。细化晶粒，可破坏液态薄膜的连续性；打乱柱状晶的方向性。 力学因素对产生结晶裂纹的影响 材料高温强度主