1、金屬焊接及斷口分析,中國(guó)石油大學(xué)(華東) 韓彬 2011年05月,焊接件失效分析,韓彬 2011.05,一、焊件失效分析的概念目的和意義,（一）焊件失效分析的概念 焊件失效：在焊接產(chǎn)品的零部件組裝焊接過(guò)程中，由于產(chǎn)生裂紋、氣孔、夾雜等缺陷，或者產(chǎn)生變形，或者接頭產(chǎn)生嚴(yán)重脆化而使焊件喪失規(guī)定功能的質(zhì)量事故。 焊件失效分析：針對(duì)焊件失效，在分析失效現(xiàn)場(chǎng)資料和背景資料的基礎(chǔ)上，通過(guò)一系列的物理化學(xué)試驗(yàn)，獲得大量反映失效物理過(guò)程的信息，然后對(duì)這些信息通過(guò)由表及里、由此及彼、去粗取精、去偽存真的綜合分析，找出失效的原因，并采取相應(yīng)的措施消除隱患，從而保證焊件質(zhì)量的技術(shù)工作。,（二）焊件失效分析的目的,找

2、出焊件失效的原因，制定有效的解決措施， 防止類似的事故再次發(fā)生。 （三）焊件失效分析的意義 1、保證焊接產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而保證焊接產(chǎn)品的質(zhì)量。 2、促進(jìn)焊接技術(shù)不斷提高。,（一）焊接變形引起的失效,主要有以下幾種: 1、縱向收縮變形 （動(dòng)畫1） 2、橫向收縮變形 3、撓曲變形 （動(dòng)畫2） 4、角變形 （動(dòng)畫3） 5、波浪變形 （動(dòng)畫4） 6、螺旋變形 （動(dòng)畫5） 7、錯(cuò)邊變形 （動(dòng)畫6）,二、焊件失效的種類和特征,（二）焊接裂紋引起的失效,1、熱裂紋 結(jié)晶裂紋、高溫液化裂紋、多邊化裂紋 特征： （1）產(chǎn)生的溫度：上限稍高于焊縫名義固相線； 下限略低于焊縫名義固相線。 （2）產(chǎn)生的部位

3、：焊縫、近縫區(qū)、多層焊層間 （3）化學(xué)成分特點(diǎn)：焊縫中S、P、或Ni等元素較多。 （4）金相特征：沿一次結(jié)晶組織的晶界分布。（圖1） （5）斷口特征：宏觀：有明顯的氧化色彩； 微觀：為沿晶液膜分離斷口。（圖2）,2、冷裂紋,延遲裂紋、淬硬脆化裂紋、低塑性脆化裂紋 特征： （1）產(chǎn)生的溫度：通常在Ms點(diǎn)以下。 （2）產(chǎn)生的鋼種：低、中合金鋼，中、高碳鋼。 （3）產(chǎn)生的部位：主要產(chǎn)生在HAZ：如焊趾、焊根、焊道下。（圖3） （4）產(chǎn)生的時(shí)間：幾乎都延遲一段時(shí)間。 （5）金相特征：產(chǎn)生部位有淬硬組織； 裂紋走向既有沿晶，又有穿晶。 （6）斷口特征：仍有金屬光澤；對(duì)于低合金鋼，啟裂處和擴(kuò)展處：為準(zhǔn)解理

4、，或沿晶，或兩者混合斷口；終斷區(qū)：多為韌窩斷口。,以14MnMoNbB為例（圖4）,3、再熱裂紋,特征： （1）產(chǎn)生的時(shí)間：焊后不產(chǎn)生，在焊后熱處理或高溫加熱過(guò)程中產(chǎn)生。 （2）產(chǎn)生的溫度：對(duì)于低合金鋼、耐熱鋼，敏感再加熱溫度為500700。 （3）產(chǎn)生的鋼種：含有Cr、Mo、V、Ti、Nb的低合金鋼和含有Nb的奧氏體不銹鋼。 （4）產(chǎn)生的部位：HAZ的過(guò)熱區(qū)，走向大體與熔合線平行。（圖5） （5）應(yīng)力特征：焊后焊接接頭存在較大的殘余應(yīng)力或應(yīng)力集中。 （6）金相特征：都是沿晶界開(kāi)裂。（圖6） （7）斷口特征：幾乎都是冰糖狀的沿晶斷口。（圖7）,4、層狀撕裂,特征： （1）產(chǎn)生的部位：HAZ或靠

5、近接頭的母材。 （2）產(chǎn)生的鋼種：不受鋼種限制，主要與鋼材中有帶狀分布的硫化物、硅酸鹽夾雜物等有關(guān)。 （3）結(jié)構(gòu)和接頭特征：易在厚板結(jié)構(gòu)和T型、十字型或角接接頭中產(chǎn)生。（圖8） （4）應(yīng)力特征：有Z向拉伸應(yīng)力作用。 （5）金相特征：宏觀：多呈階梯狀開(kāi)裂；（圖9） 微觀：裂紋走向既有穿晶也有沿晶。 （6）斷口特征：宏觀：呈木紋狀；（圖10） 微觀：平臺(tái)處多為準(zhǔn)解理斷口，可見(jiàn)到片狀、條狀或球狀?yuàn)A雜物；剪切壁處多為剪切韌窩斷口，也會(huì)出現(xiàn)準(zhǔn)解理斷口。 （圖11）,（三）焊接氣孔引起的失效,主要可分為兩大類氣孔： 第一類氣孔：主要有氫氣孔、氮?dú)饪住?特征：大多數(shù)分布在焊縫表面。 氫氣孔較分散，斷面呈螺釘

6、狀；（圖12） 氮?dú)饪滓话闶浅啥殉霈F(xiàn)。 第二類氣孔：主要有CO氣孔。 特征：大多數(shù)分布在焊縫內(nèi)部，沿一次結(jié)晶組織的晶界分布，呈條蟲(chóng)狀。（圖13）,（四）焊接夾雜引起的失效,主要有三類夾雜物： 1、氧化物夾雜 如SiO2、MnO、FeO、TiO2等，一般多以硅酸鹽的形式存在，呈圓球形或點(diǎn)粒狀。（圖14） 2、氮化物夾雜 主要是Fe4N,一般以針狀分布在晶粒上或貫穿邊界。（圖15） 3、硫化物夾雜 主要是FeS、MnS，在焊縫中多呈球狀。MnS呈灰色，當(dāng)MnS內(nèi)溶解FeS時(shí)顏色會(huì)變淡。,焊接接頭脆化能導(dǎo)致焊件開(kāi)裂或斷裂。 使接頭產(chǎn)生脆化的原因有： 晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大“粗晶脆化” 產(chǎn)生脆化組織“組織脆化”

7、 析出碳化物，氮化物等“析出脆化” 析出石墨“石墨脆化” 產(chǎn)生熱應(yīng)變時(shí)效“熱應(yīng)變時(shí)效脆化” 特征： 1、產(chǎn)生破壞時(shí)，接頭承受的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)應(yīng)力。 2、破壞在突然之間發(fā)生。,（五）焊接接頭脆化引起的失效,3、呈現(xiàn)脆化斷口：,（1）解理（CF）斷口 特征 平坦型解理臺(tái)階 （圖16） 河流花樣 （圖17） 舌形花樣 （圖18） 扇形花樣 （圖19） （2）準(zhǔn)解理（QC）斷口 （圖20） 特征：河流花樣短而彎曲，支流少， 解理面小，且周圍有較多的撕裂棱。,（3）沿晶（IC）斷口,特征：宏觀：表面平齊，呈白亮色顆粒狀。 微觀：呈晶粒狀的多面體，冰糖狀。（圖21） 典型的延性斷口： 宏觀：纖維狀，顏色

8、發(fā)暗； 微觀：韌窩（DR）斷口。（圖22） 韌窩特征：斷口布滿大小不等的圓形或橢圓形的凹坑，凹坑中常有夾雜物或第二相粒子。,三、焊件失效分析的基本思路和程序,（一）基本思路 1. 根據(jù)失效的背景資料和現(xiàn)場(chǎng)情況初步確定失效類型。 2. 選擇試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行檢驗(yàn)。 （二）分析程序 1. 調(diào)查研究、收集資料 (1) 調(diào)查失效現(xiàn)場(chǎng) (2) 調(diào)查失效背景,（二）分析程序 2. 選取試樣 3. 失效分析實(shí)驗(yàn) (1) 化學(xué)分析試驗(yàn)：包括體積成分分析和微區(qū)成分分析試驗(yàn)。 (2) 宏觀分析試驗(yàn)：包括宏觀金相分析和宏觀斷口分析試驗(yàn)。 (3) 微觀分析試驗(yàn)：包括微觀金相分析和微觀斷口分析試驗(yàn)。 (4) 材料性能試驗(yàn)。

9、(5) 模擬試驗(yàn)。 4. 作出結(jié)論、制定措施。,四、焊件失效分析試驗(yàn)的方法,（一）化學(xué)分析試驗(yàn) 1、體積成分分析試驗(yàn) 目的：了解焊縫或母材成分是否符合要求。 （1）化學(xué)分析法 取樣：用電鉆取樣（圖23） 分析：利用儀器通過(guò)化學(xué)分析進(jìn)行測(cè)定。 （2）物理分析法 有光譜法、磁法、熱電法等。這些方法都需要精密儀器，具有快速、靈敏的特點(diǎn)。 例如，吸收光譜儀。 2、微區(qū)成分分析試驗(yàn) 目的：測(cè)定夾雜物、第二相、晶界等微小范圍的元素含量或分布。 測(cè)試儀器有：電子探針、離子探針、俄歇電子譜儀等。,（二）金相分析試驗(yàn),1 宏觀金相分析試驗(yàn) 首先對(duì)試樣進(jìn)行磨光、拋光和浸蝕，然后用50倍以下的放大鏡或光學(xué)顯微鏡進(jìn)行

10、觀察。 目的：觀察失效（裂紋）形態(tài)的全貌。 2 微觀金相分析試驗(yàn) 用50倍以上的光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。 目的：分析失效局部的組織、顯微缺陷等。,（三）斷口分析試驗(yàn),1、宏觀斷口分析試驗(yàn) 用肉眼或放大鏡（50倍以下）對(duì)試樣的斷口直接進(jìn)行觀察。 目的：觀察斷口的全貌，判斷斷裂的性質(zhì)，確定裂紋源的位置以及判斷裂紋的擴(kuò)展方向等。例如： 2、微觀斷口分析試驗(yàn) 在掃描電子顯微鏡或透射電子顯微鏡下觀察。 目的：對(duì)斷口表面作更深入、更細(xì)致的觀察，進(jìn)一步確認(rèn)斷裂的性質(zhì)。,（四）材料性能試驗(yàn),包括力學(xué)性能試驗(yàn)、焊接裂紋敏感性試驗(yàn)等。 目的：復(fù)驗(yàn)材料的某項(xiàng)性能是否符合要求。 例如：由于材料層狀撕裂的敏感性與其Z向拉伸抗力有關(guān)，因此常進(jìn)行材料的Z向拉伸試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)定 Z向斷面收縮率來(lái)判斷層狀撕裂的敏感性： 當(dāng) z25% 時(shí)，抗層狀撕裂性能優(yōu)異； 當(dāng) z=1525% 時(shí)，抗層狀撕裂性能一般；