1、小鐵研式抗裂試驗(yàn)及斷口分析,LNPU,1,PPT學(xué)習(xí)交流,一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、 通過(guò)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解評(píng)價(jià)金屬材料可焊性的常用實(shí)驗(yàn)方法。 2、 認(rèn)識(shí)冷裂紋產(chǎn)生的三個(gè)條件。 3、了解焊接冷裂紋斷口的典型形貌。,2,PPT學(xué)習(xí)交流,二、實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)材料,1、 材料 試板（材質(zhì)為被測(cè)材料）12塊 焊條4.0（焊條強(qiáng)度級(jí)別與試板等強(qiáng)度） 2、 設(shè)備 焊機(jī)（直流焊機(jī)） 1臺(tái) 氣割設(shè)備 1套 砂輪切片機(jī) 1臺(tái) 放大鏡、秒表、手錘等各 1個(gè) 腐蝕液 若干,3,PPT學(xué)習(xí)交流,三、實(shí)驗(yàn)原理,1、 冷裂紋的測(cè)試方法簡(jiǎn)介 焊接冷裂紋傾向的測(cè)定方法很多，常用的有：最高硬度法、斜y坡口對(duì)接裂紋試驗(yàn)法（“小鐵研式”抗裂實(shí)

2、驗(yàn)）、剛性拘束裂紋試驗(yàn)（RRC試驗(yàn)）、拉伸拘束試驗(yàn)(TRC)、插銷試驗(yàn)等。 按照接頭拘束類型可把抗裂試驗(yàn)分為自拘束抗裂試驗(yàn)和外拘束性抗裂試驗(yàn)兩大類。 自拘束抗裂試驗(yàn)主要評(píng)價(jià)材料（焊材）抗熱、冷裂紋性能，確定焊接規(guī)范(不開(kāi)裂時(shí))及熱處理情況（包括預(yù)熱、后熱）。這種試驗(yàn)只是定性地進(jìn)行。象小鐵研試驗(yàn)、窗口試驗(yàn)等。 外拘束性試驗(yàn)適用于定量評(píng)定材料的裂紋傾向，以及可以比較深入地進(jìn)行有關(guān)理論研究工作，像插銷試驗(yàn)法等。,4,PPT學(xué)習(xí)交流,2、 焊接冷裂紋的產(chǎn)生及危害,冷裂紋是焊后冷卻較低溫度下產(chǎn)生的。對(duì)于低合金鋼、中碳鋼而言，大約在鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度MS附近。它是由于拘束應(yīng)力、淬硬組織和擴(kuò)散氫的共同作用下

3、產(chǎn)生的。 冷裂紋主要發(fā)生在低合金鋼、中合金鋼、中碳和高碳鋼的熱影響區(qū)，個(gè)別情況下，如焊接超高強(qiáng)度鋼或某些鈦合金時(shí)，冷裂紋也出現(xiàn)在焊縫上。 危害：接頭性能變壞，產(chǎn)生脆性斷裂。,5,PPT學(xué)習(xí)交流,3、 冷裂紋的種類,延遲裂紋 主要特點(diǎn)是：不在焊后立即出現(xiàn)，具有延遲現(xiàn)象。主要取決于鋼中的淬硬傾向，焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)合熔敷金屬中的擴(kuò)散氫含量。 淬硬脆化裂紋 主要特點(diǎn):焊后立即開(kāi)裂，不受擴(kuò)散氫的影響，只在拘束應(yīng)力的作用下產(chǎn)生。 產(chǎn)生原因：由于冷卻時(shí)馬氏體相變而產(chǎn)生的脆性造成的。主要取決于鋼的淬硬性和拘束條件。一般采用較高的預(yù)熱溫度和使用高韌性的焊條基本上可以防止這種裂溫。 低塑性脆化裂紋 由于某些塑性

4、較低材料，焊后冷至低溫時(shí)，由于收縮力引起的應(yīng)變超過(guò)了材料本身所具有的塑性儲(chǔ)備或材質(zhì)變脆而產(chǎn)生的裂紋，成為低塑性脆化裂紋。如：球墨鑄鐵補(bǔ)焊時(shí)，不采取措施而產(chǎn)生白口開(kāi)裂的現(xiàn)象,6,PPT學(xué)習(xí)交流,4、 延遲冷裂紋的產(chǎn)生機(jī)理分析,在三種冷裂紋中，延遲裂紋的危害性最大，最具有普遍性。因此，這里主要介紹這中裂紋的產(chǎn)生情況。有關(guān)研究證明：鋼材的淬硬傾向，焊接接頭含氫量及其分布，以及接頭所承受的拘束應(yīng)力狀態(tài)是高強(qiáng)鋼焊接時(shí)產(chǎn)生冷裂紋的三大主要因素。這三個(gè)因素在一定條件下是互相聯(lián)系和相互促進(jìn)的。,7,PPT學(xué)習(xí)交流,下面就三大因素簡(jiǎn)單介紹一下。,鋼材的淬硬傾向，主要決定于化學(xué)成分、板厚、焊接工藝和冷卻條件等。鋼

5、淬硬后開(kāi)裂主要有以下的兩個(gè)方面原因。 形成脆硬的馬氏體組織 馬氏體的脆硬是因碳飽和固溶在Fe種，使晶格發(fā)生較大的畸變而難以變形（滑移），這樣斷裂時(shí)將消耗較低的（很少）能量。因此，馬氏體的存在時(shí)利于裂紋的形成和擴(kuò)展。 淬硬會(huì)形成更多的晶格缺陷 碳在Fe中過(guò)飽和固溶，導(dǎo)致嚴(yán)重的晶格畸變，形成大量的晶格缺陷，主要是空位和位錯(cuò)。在不平衡條件下，位錯(cuò)和空位發(fā)生移動(dòng)和聚集，在達(dá)到一定濃度后便形成裂紋源。 高強(qiáng)鋼的淬硬傾向以熱影響區(qū)最高硬度Hmax作為評(píng)定指標(biāo)。,8,PPT學(xué)習(xí)交流,擴(kuò)散氫的作用,大量的研究證明，氫的聚集開(kāi)始于焊后約60秒（室溫下板厚20mm）,約冷至100150，在焊后12小時(shí)達(dá)到最大值（

6、在有缺口效應(yīng)的部位），然后逐漸耗散。 氫聚集的程度隨鋼種的化學(xué)成分不同而不同。在較高的拘束條件下（R21700N/mmmm）氫聚集系數(shù)N(N=C/C0,C聚集氫濃度，C0初始?xì)錆舛?隨 Pcm（碳當(dāng)量）的變化如下： Pcm=0.20% N=1.7; Pcm=0.25% N=3.3; Pcm=0.30% N=6.2 高強(qiáng)鋼焊后冷卻至100附近時(shí)擴(kuò)散氫在某些部位（應(yīng)力應(yīng)變最大區(qū)域）發(fā)生聚集而起到起裂作用，因此，把100時(shí)的殘余擴(kuò)散氫HR100稱為有效氫含量。 式中H0凝固時(shí)焊縫的處時(shí)含氫量 hW焊縫的平均厚度 M氫的熱擴(kuò)散因子 一般手工電弧焊時(shí)，則 用回歸方程法可求的M如下： 適用范圍t150=4

7、9.5630s t200=28.5166s t250=20.25103s t300=15.571.25s,9,PPT學(xué)習(xí)交流,對(duì)于一般低合金鋼，焊后延遲裂紋的出現(xiàn)往往在熱影響區(qū)，這與焊縫及熱影響區(qū)組織變化和氫的擴(kuò)散過(guò)程有關(guān)。 由于一般低合金鋼焊縫金屬的含碳量低于熱影響區(qū)，在冷卻時(shí)會(huì)在較高的溫度就發(fā)生相變，即由奧氏體分解為鐵素體、珠光體、貝氏體以及低碳馬氏體等。在分解同時(shí)，原先溶解在焊縫的很多氫會(huì)極力進(jìn)行擴(kuò)散和逸出，當(dāng)然，原子氫將會(huì)從焊縫向熱影響區(qū)擴(kuò)散。當(dāng)焊縫由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體、珠光體等組織時(shí)，氫的溶解度會(huì)突然下降，而氫在鐵素體、珠光體中的擴(kuò)散速度很快，因此氫會(huì)被很快地趕到未轉(zhuǎn)變的奧氏體組織中

8、去擴(kuò)散（熱影響區(qū)），而在熱影響區(qū)（奧氏體中）擴(kuò)散速度慢，不能很快地把氫擴(kuò)散到距熔合線較遠(yuǎn)的母材中去，因此在熔合線附近形成了富氫地帶。當(dāng)滯后相變的熱影響區(qū)由奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)（因焊縫相變超前于熱影響區(qū)相變），氫便以過(guò)飽和狀態(tài)殘留在馬氏體中，促使這個(gè)地區(qū)進(jìn)一步脆化。如果這個(gè)部位有缺口效應(yīng)（應(yīng)力集中、應(yīng)變集中），并且氫的濃度足夠高時(shí)，就可能產(chǎn)生根部裂紋或焊趾裂紋。若氫的濃度更高，可使馬氏體更加脆化，也可能產(chǎn)生焊道下裂紋。 當(dāng)焊接某些超高強(qiáng)度鋼時(shí)，會(huì)由于焊縫成分復(fù)雜，導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)相變先于焊縫，這樣，氫會(huì)相反地從熱影響區(qū)向焊縫擴(kuò)散，那么延遲裂紋就可能在焊縫上產(chǎn)生。,10,PPT學(xué)習(xí)交流,（3）焊接

9、接頭的應(yīng)力狀態(tài),在焊接時(shí)，主要存在以下幾種應(yīng)力 不均勻加熱及冷卻過(guò)程中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力； 金屬相變時(shí)產(chǎn)生的組織應(yīng)力 相變產(chǎn)生體積膨脹，會(huì)減輕殘余拉伸應(yīng)力，有利于降低冷裂傾向。 結(jié)構(gòu)自身拘束條件所造成的應(yīng)力 拘束應(yīng)力的大小決定于受拘束的程度，用拘束度R來(lái)表示。 R的定義：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度焊縫，在根部間隙產(chǎn)生單位長(zhǎng)度的彈性位移所需要的力。 平板對(duì)接： 式中E母材金屬的彈性模量 L拘束距離 板厚 由上式知：改變拘束距離L和板厚可以調(diào)節(jié)拘束度R的大小。當(dāng)R值達(dá)到一定值時(shí)就產(chǎn)生裂紋，這是的R值稱為臨界拘束度Rcr。,11,PPT學(xué)習(xí)交流,12,PPT學(xué)習(xí)交流,焊接接頭拘束應(yīng)力可采用拘束度來(lái)預(yù)測(cè)，但并不能完全所反映

10、，這主要受鋼種類型所限制，兩者之間的關(guān)系可用下式表達(dá) 式中m拘束應(yīng)力轉(zhuǎn)換系數(shù)，與鋼的線膨脹系數(shù)，力學(xué)熔點(diǎn)，比熱容以及接頭的坡口角度等有關(guān)。 式中線脹系數(shù)（10-6/） TM力學(xué)熔點(diǎn) （） T0環(huán)境溫度（） H熱焓（J/g） 2坡口角度 C比熱熔（J/(gC)） 低合金鋼，手工電弧焊時(shí)m=(35)10-2,13,PPT學(xué)習(xí)交流,概括以上，高強(qiáng)度鋼焊接時(shí)產(chǎn)生冷裂紋的機(jī)理在于鋼中產(chǎn)生淬硬之后受氫的侵襲和誘發(fā)，使之脆化，在拘束應(yīng)力的作用下產(chǎn)生了裂紋。當(dāng)然，產(chǎn)生冷裂紋的力學(xué)行為并不是一般的平均拘束應(yīng)力，而是在某一敏感部位（如有缺口、內(nèi)部缺陷等應(yīng)力集中點(diǎn)）達(dá)到比平均應(yīng)力更大的應(yīng)力場(chǎng)才導(dǎo)致開(kāi)裂。而氫的作用也

11、不是熔敷金屬中的平均含量，而是冷至150100時(shí)的殘余擴(kuò)散氫發(fā)生聚集而造成臨界狀態(tài)的氫量（有效氫）。鋼的淬硬性也不是單純化學(xué)成分所能表達(dá)Pcm(碳當(dāng)量)，而是采用硬度或脆化度較合理。這反映了化學(xué)成分和組織形態(tài)的共同影響。,14,PPT學(xué)習(xí)交流,1、 冷裂紋的斜y形坡口試驗(yàn)法,此法主要評(píng)定碳鋼和低合金鋼焊接熱影響區(qū)對(duì)冷裂紋的敏感性。 具體實(shí)驗(yàn)方法是： 首先用被焊材料加工成如圖所式的試樣，坡口才用機(jī)械切削加工。然后把兩端各60mm范圍內(nèi)先用焊縫固定，焊接時(shí)要注意防止角變形和未焊透。固定焊縫為雙面焊接，要保證填滿。 試驗(yàn)焊縫采用手弧焊或自動(dòng)送進(jìn)焊條電弧焊，但要注意焊接時(shí)引弧、熄弧方式并應(yīng)離開(kāi)拘束焊縫

12、23mm，如圖2所式。試驗(yàn)焊縫可在各種不同溫度下施焊，焊后靜止24h再檢測(cè)和解刨。焊接工藝參數(shù)為：焊條直徑4mm，焊接電流17010A，電弧電壓242V，焊接速度15010mm/min。檢測(cè)裂紋可用肉眼和放大鏡來(lái)觀察焊接接頭的表面和斷面上是否存在裂紋，并用下述方法分別計(jì)算出表面裂紋率，試樣上裂紋長(zhǎng)度計(jì)算的示意圖見(jiàn)圖2。,15,PPT學(xué)習(xí)交流,圖表1,16,PPT學(xué)習(xí)交流,表面裂紋率： 中Cf表面裂紋率（%） lf表面裂紋長(zhǎng)度之和（mm） L試驗(yàn)焊縫長(zhǎng)度 根部裂紋率：試樣先經(jīng)著色檢驗(yàn)，然后拉 斷或彎斷。 式中Cr根部裂紋率（%） lr根部裂紋長(zhǎng)度之和（mm） 斷面裂紋率： 在試驗(yàn)焊縫上切下46塊

13、試片，檢查5個(gè)斷面上的裂紋深度。,17,PPT學(xué)習(xí)交流,式中CS斷面裂紋率（%） HS5個(gè)斷面上裂紋深度之和 H5個(gè)斷面焊縫最小厚度之合（mm）。 如果保持焊接規(guī)范不變而采用不同的預(yù)熱溫度進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可以測(cè)的防止冷裂紋的臨界預(yù)熱溫度，以此作為冷裂紋敏感性的指標(biāo)之一。,18,PPT學(xué)習(xí)交流,斜y坡口對(duì)接裂紋試驗(yàn)的特點(diǎn)：,接頭拘束度大，根部尖角又有應(yīng)力集中，因此認(rèn)為試驗(yàn)中表面裂紋率小于20%，則用于生產(chǎn)就是安全的。 斜y坡口對(duì)接裂紋試驗(yàn)一般用于評(píng)價(jià)打底焊縫及其熱影響區(qū)冷裂紋傾向。而對(duì)于焊縫金屬則用直角坡口對(duì)接裂紋試驗(yàn)。其實(shí)驗(yàn)方法及程序同斜y坡口。,19,PPT學(xué)習(xí)交流,1、 冷裂紋端口分析,冷裂紋

14、端口形態(tài)比較復(fù)雜。它隨金屬材料的性能、強(qiáng)度、含氫量的多少，拘束條件和焊接工藝變化。開(kāi)裂的途徑既有穿晶，也有沿晶，以及兩種的混合。一般低合金高強(qiáng)鋼焊接熱影響區(qū)的冷裂紋，斷口形態(tài)主要由準(zhǔn)解理（Quasi-cleavage fracture）沿晶（Intergranular fracture）和少量韌窩（Dimple Rupture）。,20,PPT學(xué)習(xí)交流,冷裂紋一般具有延遲的特征，因此冷裂紋的斷裂過(guò)程也是分階段進(jìn)行的，大致可分為三個(gè)階段，即啟裂（起裂）擴(kuò)展（放射區(qū)）和最后斷裂（剪切唇）。 當(dāng)然，材料的成分（Pcm）和含氫量將對(duì)冷裂斷口形態(tài)有很大影響。 Pcm對(duì)啟裂區(qū)斷口形態(tài)的影響 用插銷試驗(yàn)法對(duì)

15、三種不同的Pcm鋼即18MnMoNb(Pcm=0.3359%),15MnV(A)鋼（Pcm=0.3240%）,14MnMoNbB鋼（Pcm=0.2635%）研究比較后發(fā)現(xiàn) 當(dāng)隨著鋼種Pcm增大，啟裂區(qū)IG增多，QC減少。 Pcm對(duì)擴(kuò)展區(qū)形態(tài)的影響 隨著Pcm增大，擴(kuò)展區(qū)中IC比例增加，在Pcm較小時(shí)，還可能以韌窩（DR）為主。 Pcm對(duì)終端區(qū)的形態(tài)影響 對(duì)低合金鋼，冷裂的終端區(qū)一般都以DR為主。隨著Pcm的減少，DR更為細(xì)化。,21,PPT學(xué)習(xí)交流,含氫量對(duì)斷口形態(tài)的影響,隨著含氫量的增加，斷口形貌將由韌窩向準(zhǔn)解理和沿晶發(fā)展。因此，隨著鋼種化學(xué)成分和熔敷金屬中的含氫量不同，斷口形貌也發(fā)生了變化，其變化情況如下圖所示,22,PPT學(xué)習(xí)交流,一、試件制備,1、 將一定厚度的試樣鋼板按圖1尺寸下料，并按圖要求加工坡口。 2、 組對(duì)試件焊接拘束焊縫，組對(duì)好試件，按圖上尺寸留好間隙，并用石筆劃好分界線。 3、 焊滿固定焊縫，均用J422含條，從中間向兩邊焊，幾層不限，焊滿為止。但要注意要焊透，不能存在夾渣、未焊透以及角變形。,23,PPT學(xué)習(xí)交流,一、試驗(yàn)步驟Pcm,1、 調(diào)整焊接規(guī)范：4焊條，電流17010A，電壓24V，焊速15010mm/min，并先在廢鋼板上試焊以便掌握焊速。 2、 焊接試驗(yàn)焊道，分別用烘干好的J502或J507焊條，以規(guī)定焊速施焊