《材料成形基本原理》(第3版)冷裂紋冷裂紋是指金屬經(jīng)焊接或鑄造成形后冷卻到較低溫度時產(chǎn)生的裂紋。這類裂紋是中碳鋼、高碳鋼、低合金高強鋼、工具鋼、鈦合金

及鑄鐵等材料成形加工時或使用過程中極易出現(xiàn)

的一類工藝缺陷，對結(jié)構(gòu)的安全使用破壞極大。一

、冷裂紋的分類及特征二

、冷裂紋的影響因素三

、延遲裂紋的形成機理四

、冷裂紋的控制《材料成形基本原理》(第3版)一、冷裂紋的分類及特征按裂紋形成原因，冷裂紋可分為以下三類：延遲裂紋淬硬脆化裂紋低塑性脆化裂紋按加工方法分類，可分為：鑄造冷裂紋焊接冷裂紋《材料成形基本原理》(第3版)延遲裂紋(氫致裂紋)在

氫、鋼材淬硬組織

和

拘束應(yīng)力

共同作用下產(chǎn)生。形成溫度在

Ms以下

200℃

至

室溫范圍。具有明顯的延

遲

特

征(故又稱為氫致裂紋)。裂紋的產(chǎn)生存在著潛伏期(幾小時、幾天甚至更長)、緩慢擴展期和突然開裂三個連續(xù)過程。由于能量的釋放，?？陕牭捷^清晰的開裂聲音(可用聲發(fā)射儀來監(jiān)測)。常發(fā)生在剛性較大的低碳鋼、低合金鋼的焊接結(jié)構(gòu)中?！恫牧铣尚位驹怼?/p>

(第3版)淬硬脆化裂紋某些淬硬傾向大的鋼種，熱加工后冷卻到M至室溫時，

因發(fā)生馬氏體相變而脆化，在拘束應(yīng)力作用下即可產(chǎn)生開裂。這種裂紋又稱為淬火裂

工具鋼的焊件中。

紋，其產(chǎn)生與氫的關(guān)系不大，

基本無延遲現(xiàn)象，成形加工后常立即出現(xiàn)。這類裂紋常出現(xiàn)在具有

強烈淬硬傾向的高(中)碳鋼、高強度合金鋼、《材料成形基本原理》(第3版)低塑性脆化裂紋它是某些低

塑

性

材

料冷卻到較低溫度時，由于體積收縮所引起的應(yīng)變超過了材料本身所具有的塑性儲備量時所產(chǎn)生的裂紋。這種裂紋通常也

無延遲現(xiàn)象，常發(fā)生在鑄鐵或硬質(zhì)合金構(gòu)件的成

形加工中。如灰口鑄鐵在400℃以下基本無塑性，焊接裂紋傾向很大?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)《材料成形基本原理》(第3版)鑄造冷裂紋是鑄件凝固后冷卻到彈性狀態(tài)時，因局

部鑄造應(yīng)力大于材料強度極

限而引起的開裂。這類裂紋總是發(fā)生在冷卻過程中承受較高拉應(yīng)力的部位，特別是

應(yīng)力集中部位。壁厚不均勻、形狀復(fù)雜的大型鑄件容易產(chǎn)

生冷裂紋。鑄件尖角部位的裂紋《材料成形基本原理》(第3版)起裂部位特點：是應(yīng)力集中部位；存在粗大的馬氏體組織；氫含量高。圖11-60

焊接冷裂紋分布形態(tài)1一焊道下裂紋

2一焊根裂紋

3一焊趾裂紋《材料成形基本原理》(第3版)二、冷裂紋的影響因素高強度鋼接頭產(chǎn)生冷裂紋的主要因素是：(

一

)接頭中擴散氫的含量與分布(

二

)

鋼

材

的

淬

硬

傾

向(三)接頭中的拘束應(yīng)力狀態(tài)《材料成形基本原理》(第3版)實際低合金高強鋼接頭中產(chǎn)生的冷裂紋是上述三大因素綜合作用的結(jié)果，但有時可能只是其中一個或二個因素起

主要作用，其余的起輔助作用。三大影響因素的作用可歸納成經(jīng)驗公式來評價冷裂紋敏感性。其中最常用的關(guān)系式為：式中，PwP?是冷裂紋敏感指數(shù)；

[H]

是熔敷金屬擴散氫含量；R

是拘束度；δ是工件厚度

(mm);Pcm

是鋼材的碳當量。

[H]Pc=Pcm+60600十《材料成形基本原理》(第3版)(一)接頭中擴散氫的含量與分布焊接冷卻過程中，當溫度足夠高時，[H]R能很快從金屬內(nèi)部擴散逸出，不會引起裂紋；當溫度很低時，氫的

擴散將受到抑制，也不會導(dǎo)致開裂。只有在一定溫度范圍

(-

100～100℃)

時，

[H]R

才會起致裂作用，這

一溫度范圍稱為延遲裂紋的敏感溫度區(qū)間。[H]R

在接頭中的含量與焊接工藝過程有關(guān)。《材料成形基本原理》(第3版)[H]R

在接頭中的分布狀況取決于氫在接頭中的擴散行為，后者服從以下規(guī)律：“濃度擴散”

焊接熱影響區(qū)“相變誘導(dǎo)擴散”

焊道下過熱粗晶區(qū)“應(yīng)力誘導(dǎo)擴散”

焊趾與焊根部位可見接頭中的

[H]R聚集部位正是延遲裂紋的多發(fā)部位。熔敷金屬因含碳量低于母材而先發(fā)生

(A→F+P)

轉(zhuǎn)變，使焊縫中的[H]

向焊接熱影響區(qū)擴散。繼續(xù)冷卻該區(qū)金屬由奧氏體向

馬氏體轉(zhuǎn)變，氫便以過飽和狀態(tài)殘留在馬氏體中。焊接方向《材料成形基本原理》(第3版)AaA母材焊縫裂紋F+Pb

M熱影響區(qū)熔合線HHH《材料成形基本原理》(第3版)“應(yīng)力誘導(dǎo)擴散”

氫在金屬中有向三向拉伸應(yīng)力區(qū)擴散的趨勢。在應(yīng)力集中或缺口部

位常會產(chǎn)生氫的局部聚集，使該處最早達到氫的臨界含量。應(yīng)力梯度越大，氫擴散的驅(qū)動力就越大，亦即應(yīng)力對氫的誘導(dǎo)擴散作用越大。(

二

)

鋼

材

的

淬

硬

傾

向淬硬傾向是鋼材產(chǎn)生冷裂紋的又一重要因素。鋼材的淬硬傾向越大，越容易產(chǎn)生裂紋。其原因在于淬硬傾向大的鋼材，易形成硬脆的馬氏體組織和高密度的晶格缺陷(如空位和位錯等)

,這些晶格缺陷在應(yīng)力作用下會

發(fā)生移動和聚集，當其濃度達到臨界值時，就會形成裂

紋源，并進一步擴展成宏觀裂紋。鋼材的碳當量反映了化學成分對硬化程度的影響，據(jù)此可以判斷鋼材的冷裂傾向大小。

鋼材的碳當量越大，其淬硬傾向和冷裂傾向越大。

《材料成形基本原理》(第3版)(

三)

接頭中的拘束應(yīng)力狀態(tài)由公式可見：剛性大(彈性模量

E大或板厚δ大)或拘束距離

L

小的焊接結(jié)構(gòu)，拘束度與拘束應(yīng)力高，裂紋傾向大

。計算，如平板對接接頭：R

O=m·Rm是轉(zhuǎn)換系數(shù)，與鋼的線脹系數(shù)、比熱容、接頭坡口形式和焊接方法等有關(guān)。《材料成形基本原理》(第3版)裂紋尖端形成新的三向應(yīng)力區(qū)。氫繼

續(xù)向新的三向應(yīng)力

區(qū)擴散、聚集

…

.這一過程周而復(fù)始持續(xù)進行，直至

形成宏觀裂紋。新的三向應(yīng)力區(qū)裂紋擴展H?

H?H|H《材料成形基本原理》(第3版)應(yīng)力誘導(dǎo)擴散理論：HH

HHH

H三向應(yīng)力區(qū)H氫的極限含量H擴散氫HH裂紋頂端H由于微裂紋的形成與裂紋的擴展與

[H]R

的擴散、聚集速度有關(guān)，所以有延遲斷裂特征。產(chǎn)生裂紋之前的潛伏期的長短與裂紋區(qū)的應(yīng)力大小有關(guān)。拉應(yīng)力越小，啟裂所需臨界氫的濃度越高，潛伏期(延遲時間)就越長。裂紋發(fā)生曲線OLc時間t/h圖11-65

延遲斷裂時間與應(yīng)力的關(guān)系Ovc一上臨界應(yīng)力σLc一下臨界應(yīng)《材料成形基本原理》(第3版)Ouc潛伏期斷裂曲線裂紋擴展應(yīng)力a/MPa《材料成形基本原理》(第3版)四、冷裂紋的控制對于結(jié)構(gòu)鋼焊接冷裂紋的控制，總的原則是控制冷裂紋形成的三大要素，即降

低

擴

散

氫

的

含量、改善接頭組織和減小拘束應(yīng)力。

焊

接中常用的措施是合理選用焊接材料以及嚴格控制焊接工藝，必要時采用焊前預(yù)熱與后熱消氫處理

。選用低氫型焊材或焊接方法焊前嚴格清理焊件表面油污焊前預(yù)熱

T?=1440Pw-392℃緊急后熱約300℃并保溫合理的焊接線能量及焊接順序減少[H]

含量減少淬硬組織降低拘束應(yīng)力防止冷裂紋的措施

冷裂紋的影響因素《材料成形基本原理》

(第3版)這張照片是在哥倫比亞號返回地球的11天前拍攝(2003

年2月3日)并傳回的，當時

以色列總理沙龍正通過衛(wèi)星與哥倫比亞號上首位進入太空的以色列宇航員拉蒙進行視頻對話，照片是通過哥倫比亞號上隨機安裝的一架照相機拍攝的。照片上顯示，哥倫比亞號航

天飛機的左翼上有兩條清晰的裂紋。這兩條裂紋應(yīng)該就是導(dǎo)致哥倫比亞號在著陸前16分鐘

出現(xiàn)技術(shù)問題，并且最終爆炸解體的主要原因?！恫牧铣尚位驹怼?第3版)CF62

鋼球罐使用過程中在焊縫附近發(fā)現(xiàn)的裂紋

60×《材料成形基本原理》

(第3版)30ml/100g60ml/100g5-7ml/100g2-5ml/100g2ml/100g6-