再熱層狀應力腐蝕134第1頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五4.2.3再熱裂紋、層狀撕裂和應力腐蝕裂紋一、再熱裂紋的特征、產(chǎn)生機理與控制

1、再熱裂紋的發(fā)生及其特點

焊后，焊件在一定溫度范圍再次加熱而產(chǎn)生的裂紋稱再熱裂紋。下列兩種情況下出現(xiàn)的裂紋都屬再熱裂紋：

1)有些金屬焊后并未發(fā)現(xiàn)裂紋，而在焊后消除應力的熱處理過程中才出現(xiàn)裂紋。這種裂紋又稱消除應力處理裂紋．簡稱SR裂紋。

2)有些焊接結構焊后沒有裂紋，而在一定溫度條件下長期工作才產(chǎn)生的裂紋。234第2頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五特點:1)

再熱裂紋僅在含有一定沉淀強化元素（如Cr、Mo、V等）的金屬焊件中產(chǎn)生。

2)只發(fā)生在某一溫度區(qū)間。一般的低合金鋼，約為500-700℃之間；奧氏體不銹鋼和一些高溫合金鋼在700-900℃之間，隨材料不同而變化。

3)只發(fā)生在熱影響區(qū)粗晶區(qū)的晶界上，裂紋走向是沿熔合線母材側的奧氏體粗晶晶界擴展，呈晶間開裂。

4)在焊接區(qū)必須同時存在有殘余應力和不同程度的應力集中。因此，在大拘束焊件或應力集中部位最容易產(chǎn)生再熱裂紋。334第3頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五2、再熱裂紋的形成機理研究認為，再熱裂紋的產(chǎn)生是由于高溫下晶界強度低于晶內(nèi)強度，晶界優(yōu)先于晶內(nèi)發(fā)生滑移變形，使變形集中在晶界上。當晶界的實際變形量超過了它的塑性變形能力時，就會發(fā)生裂紋，即：ε＞εc式中，ε——局部晶界的實際塑性變形量；

εc——局部晶界的塑性變形能力。434第4頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五實際的塑性應變主要由焊接接頭的殘余應力在再加熱過程中發(fā)生應力松弛而引起，它與接頭的拘束度和應力集中有關。晶界的塑性變形能力，則取決于晶界性質(zhì)，晶內(nèi)抗蠕變能力及晶粒大小等因素。由于雜質(zhì)在晶界偏析而導致晶界塑性變形能力的減弱，將使接頭的再熱裂紋傾向增大；534第5頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五1）晶界雜質(zhì)析集的弱化作用在焊接接頭再加熱到500－600℃的過程中，鋼中的P、S、Sb、Sn等元素都會向晶界析集，大大降低了晶界的塑性變形能力。634第6頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五2）晶內(nèi)沉淀的強化作用沉淀強化元素Cr、Mo、V、Ti、Nb等的碳、氮化合物在一次焊接熱(高于1100℃時)作用下固溶，在焊后冷卻時來不及充分析出。在二次再熱時，這些元素的碳、氮化合物就在晶內(nèi)沉淀析出，使晶內(nèi)強化。由于晶內(nèi)強化的提高，使變形更困難，于是應力松弛引起的塑性變形便集中到晶界上，當晶界的塑性儲備不足時，就產(chǎn)生了再熱裂紋。734第7頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五根據(jù)晶內(nèi)強化的觀點，建立了一些按合金元素的質(zhì)量分數(shù)定量地評估某些低合金鋼再熱裂紋傾向的經(jīng)驗公式，如：

PSR＝Cr＋Cu＋2Mo+5Ti+7Nb+10C-2

當PSR＞0時，易裂。834第8頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五3、再熱裂紋的影響因素及其防治⑴冶金因素1)化學成分對再熱裂紋的影響①隨著鋼中沉淀強化元素Cr、Mo、Cu、V、Nb、Ti等的增加，鋼的再熱裂紋傾向增大。②當鉻含量超過一定值后，再熱裂紋傾向反而降低。③釩對再熱裂紋傾向影響最大。④鋼中含鉬量越多，鉻對再熱裂紋傾向的影響也越大。

⑤隨著含碳量增加，再熱裂傾向增大，但達到一定數(shù)量后，即達飽和就不再增大。934第9頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五2)鋼晶粒度的影響

高強度鋼的晶粒度越大，則晶界開裂所需的應力越小，也就容易產(chǎn)生再熱裂紋。鋼中的雜質(zhì)越多，也會降低晶界開裂所需的應力。3)焊接接頭不同部位對再熱裂紋的影響對HT80鋼的焊接接頭進行試驗，把缺口分別開在不同位置，經(jīng)600℃，2h后再熱處理后，發(fā)現(xiàn)只有缺口開在粗晶區(qū)的接頭才發(fā)生再熱裂紋而開在母材、焊縫，細晶區(qū)等處均未發(fā)現(xiàn)再熱裂紋。1034第10頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五⑵工藝因素

1)焊接方法及熱輸入的影響影響主要表現(xiàn)在是增大還是減小過熱粗晶區(qū)，采用焊接熱影響區(qū)窄的焊接方法是有利的。大的焊接熱輸入會使過熱區(qū)的晶粒粗大，其中電渣焊最為嚴重。對于一些晶粒長大敏感的鋼種，埋弧焊的再熱裂紋敏感性比焊條電弧焊時為大，但對一些淬硬傾向較大的鋼種，焊條電弧焊反而比埋弧焊時的再熱裂傾向大。1134第11頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五2)焊接材料的影響

選用低匹配的焊接材料，適當降低焊縫金屬的強度以提高其塑性變形能力，從而可以減輕近縫區(qū)塑性應變集中的程度，緩和焊接接頭的受力狀態(tài)，有利于降低再熱裂紋的敏感性。1234第12頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五3)預熱和后熱的影響為了防止再熱裂紋應采取比單純防止冷裂紋更高的預熱溫度或配合后熱才有效。4)殘余應力和應力集中的影響

應力集中對再熱裂紋影響十分明顯，隨著應力集中系數(shù)的增大，再熱裂紋傾向就越大。1334第13頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五減少焊接殘余應力和消除應力集中源是減少再熱裂紋的重要措施。一般應當：①改進結構設計：必要時，要求焊后消除應力處理之前，削除焊縫余高以減少焊趾的應力集中。②提高焊接質(zhì)量，減少焊接缺陷，防止咬邊、未焊透等缺陷。③合理地安排裝配和焊接順序，以減少接頭的拘束度，降低殘余應力水平。④必要時對焊縫表面重熔。1434第14頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五二、層狀撕裂的的特征、產(chǎn)生機理與控制

1、層狀撕裂的發(fā)生及其特點

當焊接大型厚壁結構時，如果在鋼板厚度方向受到較大的拉伸應力，就可能在鋼板內(nèi)部出現(xiàn)沿鋼板軋制方向發(fā)展的具有階梯狀的層狀撕裂裂紋。常出現(xiàn)在T形接頭、角接頭和十字接頭中，對接接頭很少出現(xiàn)。但當在焊趾和焊根處由于冷裂紋的誘導也會出現(xiàn)層狀撕裂。不發(fā)生在焊縫上，只產(chǎn)生于熱影響區(qū)或母材金屬的內(nèi)部，一般在鋼表面上難以發(fā)現(xiàn)。1534第15頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五圖4.16層狀撕裂示意圖

a）焊根處層狀撕裂，b）、c）焊道下層狀撕裂，d）焊趾處層狀撕裂1634第16頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五由焊趾或焊根冷裂紋誘發(fā)的層狀撕裂，有可能在這些部位顯露于金屬表面。從焊接接頭斷面上可以看出，層狀撕裂和其他裂紋的明顯區(qū)別是呈階梯狀形態(tài)，裂紋是由基本平行軋制表面的平臺和大體垂直于平臺的剪切壁兩部分組成。1734第17頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五層狀撕裂與鋼種強度級別無關，主要與鋼中夾雜物的數(shù)量及其分布狀態(tài)有關，在撕裂平臺上常發(fā)現(xiàn)不同種類非金屬夾雜物。當沿鋼的軋制方向有較多的片狀MnS時，層狀撕裂才以階梯狀形態(tài)出現(xiàn)。如果是以硅酸鹽夾雜為主，則常呈直線狀。若以Al2O3夾雜為主，則呈不規(guī)則的階梯狀。1834第18頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五2、層狀撕裂的形成機理厚板結構焊接時，尤其是T形或角接頭，在強制拘束的條件下，焊縫收縮會在母材厚度方向(常簡稱Z向)產(chǎn)生很大的拉伸應力和應變，當應變超過母材金屬的塑性變形能力時，夾雜物與金屬基體之間就會發(fā)生分離而生成微裂紋，在應力的連續(xù)作用下，裂紋就沿夾雜所在平面上擴展，形成了“平臺”。平臺發(fā)生多處且相互平行。它們起先并不連貫，待相鄰平臺擴展到彼此接近，受到剪切應力作用下，發(fā)生剪切斷裂，形成了剪切壁。連接這些平臺和剪切壁，就構成了層狀撕裂所特有的階梯形態(tài)。1934第19頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五3、影響層狀撕裂的因素應從冶金和力學兩方面因素進行分析。1）冶金因素最主要的是鋼材中非金屬類夾雜物的種類、數(shù)量及其分布形態(tài)。因此在拉伸應力作用下，使夾雜物破斷或它與基體金屬分離，而形成層狀撕裂。鋼中常見夾雜物有硫化物，各種硅酸鹽和鋁酸鹽等。鋁酸鹽夾雜物多呈球形分布，對層狀撕裂敏感性稍??；而硫化物和硅酸鹽多呈片狀或條狀分布，所以對層狀撕裂敏感性影響較大。氫不是造成層狀撕裂的直接原因，但它容易促成冷裂紋，再由冷裂紋誘發(fā)層狀撕裂。發(fā)生在焊趾和焊根處的層狀撕裂，往往是由氫致裂紋誘發(fā)產(chǎn)生的。2034第20頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五2）力學因素凡是導致沿板厚方向(即Z向)產(chǎn)生拉伸應力的各種因素，都能促成層狀撕裂。如結構的拘束應力、焊接應力和載荷引起的應力等。這些應力越大，越容易產(chǎn)生層狀撕裂。2134第21頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五4、防止層狀撕裂的措施層狀撕裂出現(xiàn)后就難以修復，必須以防為主。1）控制夾雜物應選用具有抗層狀撕裂的鋼材。要提高鋼材的抗層狀撕裂性能，應在冶金方面降低鋼中的夾雜物(特別是硫)和控制夾雜物的形態(tài)。精煉鋼可煉出w(S)只有0.003％～0.005％，其Z向斷面收縮率可達23％～45％，有些高達60％～75％，完全可以解決層狀撕裂問題。冶煉時加入能把鋼中的MnS變成其他元素硫化物的元素，使其在熱軋時難以伸長，從而可減輕材料的各向異性，提高其抗層狀撕裂性能。2234第22頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五2）結構設計與施焊工藝（1）應盡量避免單側焊縫，改用雙側焊縫可緩和焊縫根部區(qū)的應力狀態(tài)，以防止應力集中；（2）采用焊接量少的對稱角焊縫代替焊接量大的全焊透焊縫，以避免產(chǎn)生過大的應力；（3）應在承受Z向力的一側開坡口；（4）對于丁字接頭，可在橫板上預先堆焊一層低強的焊接材料，以防止焊根裂紋，同時亦可緩和焊接應變；（5）為防止由冷裂引起的層狀撕裂，應盡量采用一些防止冷裂的措施，如減少氫量，適當提高預熱溫度，控制層間溫度等。

2334第23頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五三、應力腐蝕裂紋的特征、形成與控制

1、應力腐蝕裂紋的特征金屬材料在一定溫度下受腐蝕介質(zhì)和拉伸應力共同作用而產(chǎn)生的裂紋稱應力腐蝕裂紋。由應力腐蝕而引起的斷裂是在沒有明顯宏觀變形、無任何征兆的情況下發(fā)生的，破壞具有突發(fā)性。裂紋往往深入到金屬內(nèi)部，一旦發(fā)生，很難修復。從宏觀形態(tài)看，只產(chǎn)生在與腐蝕介質(zhì)接觸的金屬表面，然后從表面向內(nèi)部延伸，表面看呈直線狀、樹枝狀、龜裂狀或放射狀等多種形態(tài)，但都沒有明顯塑性變形，裂紋走向與所受拉應力垂直。2434第24頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五從微觀形態(tài)看、深入金屬內(nèi)部的應力腐蝕裂紋呈干枯的樹根狀，“根須”細長而帶有分支，裂紋斷口為典型的脆性斷口。圖應力腐蝕裂紋的典型形態(tài)2534第25頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五2．應力腐蝕裂紋形成條件形成壓力腐蝕裂紋的基本條件是：①材質(zhì)必須是合金，也包括含微量元素的合金。純金屬一般不發(fā)生應力腐蝕開裂；②材質(zhì)與介質(zhì)相匹配。并非金屬材料與任何介質(zhì)都產(chǎn)生應力腐蝕裂紋，而是有一定匹配關系。③必須存在拉應力。拉應力可以是工作應力和殘余應力。焊接殘余應力通常在焊縫及近縫區(qū)為拉伸應力，有時高達材料的屈服點。2634第26頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五3、應力腐蝕開裂機理公認的看法認為應力腐蝕開裂是由電化學腐蝕和拉應力下金屬局部的機械破壞兩者共同作用的結果。按電化學研究結果，金屬在腐蝕介質(zhì)中有以下兩種電化學作用：

①陽極溶解腐蝕開裂，簡稱APC；②陰極氫脆開裂，簡稱HEC。一般奧氏體不銹鋼的應力腐蝕開裂是屬APC型；低碳鋼、低合金高強度鋼和超高強度鋼多屬HEC型，又稱氫致開裂(氫脆)。2734第27頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五圖塑性變形引起的滑移臺階18-8型不銹鋼的應力腐蝕與拉應力作用下引起金屬表面氧化膜的破壞有關。應力的作用下，金屬在局部將產(chǎn)生不同程度的塑性變形，這種變形大到一定程度就會發(fā)生“滑移臺階”。當滑移臺階的高度大于氧化膜的厚度時，就會使氧化膜破裂，出現(xiàn)斷層而暴露出新鮮的金屬，見圖。在腐蝕介質(zhì)作用下，無保護的金屬就被快速溶解從而發(fā)生APC型的應力腐蝕開裂。2834第28頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五4、防止應力腐蝕裂紋措施影響應力腐蝕裂紋的因素很多，防治的途徑應是多方別的，見表。表控制應力腐蝕的途徑2934第29頁，共34頁，2023年，2月20日，星期五1）合理選擇母材選用抗應力腐蝕能力好的母材。當前以高鉻鐵素體不銹鋼、雙相鋼、高鎳不銹鋼或高鎳合金有較好耐應力腐蝕性能，可以根據(jù)工作條件進行選擇。2）焊接材料選擇焊縫金屬必須具有與母材相同的抗應力腐蝕裂紋的能力。焊縫的化學成分應盡可能與母村一致。在高溫水工作的18-8型不銹鋼，抗應力腐蝕裂紋的性能隨著