冷裂紋產(chǎn)生的三大因素

冷裂紋產(chǎn)生的三大因素包括淬硬傾向、氫的存在和焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)。以下是詳細(xì)介紹：

淬硬傾向。鋼材的淬硬傾向越大，焊接時(shí)越容易產(chǎn)生冷裂紋。淬硬傾向大的金屬在熱力不平衡的條件下會形成大量的晶格缺陷，這些缺陷在應(yīng)力和熱力不平衡的條件下，可能形成裂紋源，甚至擴(kuò)展形成宏觀裂紋。

氫的存在。氫是引起高強(qiáng)鋼焊接時(shí)形成冷裂紋的重要因素之一，并且使之具有延遲的特征。氫在鋼中的擴(kuò)散、在微觀缺陷處聚集、產(chǎn)生應(yīng)力，直至開裂紋都需要一定的時(shí)間。高強(qiáng)鋼焊接接頭的氫含量越高，裂紋敏感性越大，當(dāng)氫含量大于某一臨界值時(shí)，便會開始出現(xiàn)裂紋。

焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)。焊接接頭的熱應(yīng)力(不均勻加熱和冷卻)、相變應(yīng)力(相變時(shí)組織的體積變化)及結(jié)構(gòu)形式、焊接順序等都會形成拘束力，這些應(yīng)力狀態(tài)對冷裂紋的產(chǎn)生有重要影響。

冷裂紋是指在焊接接頭冷卻到較低溫度時(shí)(對于鋼來說在MS溫度，即奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的溫度以下)所產(chǎn)生的焊接裂紋。最主要、最常見的冷裂紋為延遲裂紋(即在焊后延遲一段時(shí)間才發(fā)生的裂紋，因?yàn)闅涫亲罨钴S的誘發(fā)因素，而氫在金屬中擴(kuò)散、聚集和誘發(fā)裂紋需要一定的時(shí)間)。冷裂紋的延遲時(shí)間不定，由幾秒鐘到幾年不等。

焊接接頭冷卻到較低溫度下時(shí)產(chǎn)生的焊接裂紋叫冷裂紋。主要發(fā)生在中碳鋼、高碳鋼、低合金高強(qiáng)鋼、中合金鋼高強(qiáng)鋼、馬氏體不銹鋼的焊接熱影響區(qū)，一些超高強(qiáng)度鋼、鈦合金有時(shí)也出現(xiàn)在焊縫中。焊接冷裂紋主要分布在焊道下、焊縫根部、焊趾、焊縫表面，具有沿晶及穿晶斷裂特征，斷口明亮有金屬光澤，同熱裂紋一樣，其斷裂條件是：焊接接頭局部位置的延性δmin不足以承受所發(fā)生的應(yīng)變占的作用，即ε≥δmin時(shí)發(fā)生斷裂。焊接冷裂紋包括淬硬脆化裂紋、延遲裂紋、低塑性脆化裂紋。

、淬硬脆化裂紋淬硬傾向大的鋼在焊接熱循環(huán)作用下產(chǎn)生淬硬組織，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋。產(chǎn)生裂紋的敏感溫度在Ms附近，焊接接頭冷卻到一定溫度以下即出現(xiàn)裂紋，沒有延遲開裂特征。一些超高強(qiáng)度鋼、馬氏體不銹鋼、工具鋼具有較高的淬硬脆化裂紋敏感性。2、延遲裂紋焊接接頭冷卻到室溫后并在一定時(shí)間(幾小時(shí)、幾天，甚至十幾天)才出現(xiàn)的焊接冷裂紋稱延遲裂紋。延遲裂紋的影響因素有淬硬組織、氫、應(yīng)力。鋼的淬硬傾向越大，焊接時(shí)越容易形成脆硬的馬氏體組織，產(chǎn)生裂紋的敏感性越高;焊縫金屬中的擴(kuò)散氫是延遲裂紋形成的主要因素，氫含量越高，延遲裂紋的敏感性越大;存在應(yīng)力是產(chǎn)生延遲裂紋的必要條件，應(yīng)力主要有：由焊接的不均勻加熱和冷卻過程引起的熱應(yīng)力、由金屬相變發(fā)生的體積變化而引起的棚變應(yīng)力、由結(jié)構(gòu)剛度和約束引起的拘束應(yīng)力。3、低塑性脆化裂紋被焊母材或焊縫金屬本身塑性過低，在焊接熱應(yīng)力和拘束應(yīng)力作用下，發(fā)生的應(yīng)變大于其延性而產(chǎn)生的裂紋。低塑性脆化裂紋與氫的作用無關(guān)，與焊接形成的脆硬組織也無必然聯(lián)系，根本原因在于母材塑性過低。低塑性脆化裂紋在焊接接頭冷卻到一定溫度以下即出現(xiàn)，多出現(xiàn)在焊縫和熱影響區(qū)表面，沒有延遲特征。鑄鐵、硬質(zhì)合金堆焊容易產(chǎn)生低塑性脆化裂紋，高合金化鈦合金、鈦鋁金屬間化合物等航空材料也容易產(chǎn)生這類裂紋。

冷裂紋是焊接生產(chǎn)中較為普遍的一種裂紋，它是在焊后冷卻至較低溫度時(shí)產(chǎn)生的，對于低合金高強(qiáng)鋼，大約在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度附近。冷裂紋形成的三要素分別為鋼種淬硬傾向、焊縫中的氫含量及其分布、焊接接頭應(yīng)力狀態(tài)。

一、淬硬傾向

鋼材的淬硬傾向主要取決于其化學(xué)成分和冷卻條件。鋼材的淬硬傾向越大，焊接時(shí)越容易產(chǎn)生冷裂紋。因?yàn)榇阌矁A向越大，意味著焊接受熱時(shí)會產(chǎn)生更多的馬氏體組織，而馬氏體變形能力低容易發(fā)生脆性斷裂。而焊接接頭的淬硬傾向，除了化學(xué)成分、冷卻條件之外，還與焊接工藝、結(jié)構(gòu)板厚有關(guān)。

其中，化學(xué)成分對鋼材淬硬傾向的影響，可以用碳當(dāng)量法的粗略估計(jì)，如下：

CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15

例如，對于厚度小于20mm的鋼板，當(dāng)CE<0.4%時(shí)淬硬傾向不大。

淬硬傾向大的金屬在熱力不平衡的條件下會形成大量的晶格缺陷，在應(yīng)力和熱力不平衡的條件下，會形成裂紋源乃至擴(kuò)展形成宏觀裂紋。

如果焊縫和熱影響區(qū)中有氫存在，會降低其韌性，產(chǎn)生氫脆。而高碳馬氏體淬硬組織對氫脆敏感性很強(qiáng)，冷裂紋敏感。在焊接中常用熱影響區(qū)的最高硬度來評定某些高強(qiáng)鋼的淬硬傾向。

二、氫

氫是引起高強(qiáng)鋼焊接時(shí)形成冷裂紋的重要因素之一，并且使之具有延遲的特征，通常把氫引起的延遲裂紋稱為“氫致裂紋”或“氫誘發(fā)裂紋”。之所以會有“延遲”，是因?yàn)闅湓阡撝械臄U(kuò)散、在微觀缺陷處聚集、產(chǎn)生應(yīng)力，直至開裂紋都需要一定的時(shí)間。

高強(qiáng)鋼焊接接頭的氫含量越高，裂紋敏感性越大，當(dāng)氫含量大于某一臨界值時(shí)，便會開始出現(xiàn)裂紋，臨界值大小因具體而異。

焊接熱影響區(qū)中氫的濃度足夠高時(shí)，會其中的馬氏體組織(若有)進(jìn)一步脆化，進(jìn)而形成裂紋。

三、應(yīng)力狀態(tài)

高強(qiáng)鋼焊接時(shí)冷裂紋的產(chǎn)生不僅取決于鋼的淬硬傾向、氫的有害作用，還取決于焊接接接頭的應(yīng)力狀態(tài)，有時(shí)應(yīng)力狀態(tài)甚至起決定性作用。焊接接頭的熱應(yīng)力(不均勻加熱和冷卻)、相變應(yīng)力(相變時(shí)組織的體積變化)及結(jié)構(gòu)形式、焊接順序等都會形成拘束力。

上述形成冷裂紋的三要素，各有其內(nèi)在規(guī)律，但又相互影響?？偟膩碚f，熱影響區(qū)和焊縫金屬的淬硬傾向是產(chǎn)生裂紋的內(nèi)在因素，而只有當(dāng)鋼中有淬硬組織形成時(shí)，氫才能發(fā)揮其誘發(fā)裂紋的有害作用。