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1、2005-6-21 1第7章加工引起的内应力和冶金质量问题Part 2清华大学机械工程系2005-6-21 27.2.6 裂纹（1）英国统计资料显示，132台破坏的压力容器中，裂纹引起的118台，占90% 1944年10月俄亥俄州天然气储罐爆炸，死亡133人 1979年12月吉林液化石油气厂球罐爆炸损失惨重（2）1938年，比利时发生桥梁断裂（3）1947年，美国发生自由轮断裂。2005-6-21 37.2.6 裂纹1、热裂纹2、冷裂纹3、应力腐蚀裂纹2005-6-21 41、热裂纹热裂纹是高温下在金属中产生的一种沿晶裂纹内因是金属的高温脆化（两个脆化温度区间）外因是拉应力2005-6-21
2、51、热裂纹（1）热裂纹的类型凝固裂纹（固-液态脆性温度区间，与液膜有关）高温失塑裂纹（固态脆性温度区间，与液膜无关）液化裂纹（沿局部熔化的晶界开裂，与液膜有关）多边化裂纹2312005-6-21 61、热裂纹（2）凝固裂纹a. 形成机理凝固过程中如果得不到自由收缩，就必然会导致内部的拉伸变形凝固裂纹产生的倾向性主要取决于材料本身在凝固过程中的变形能力有液相存在时，金属的变形能力与完全固态时不同，它取决于液相的数量、分布形态及其性质 I区内，大量液相存在自由变形，不易裂 II区内，液膜与液相贯通，变形不大不易裂 III区内，封闭液膜，易裂2005-6-21 71、热裂纹（2）凝固裂纹a. 形成
3、机理内因：CST与材料特性(TB，min )有关外因：应变增长率与金属的收缩率以及自拘束和外部拘束有关Critical Strain rate for Temperature drop2005-6-21 81、热裂纹（2）凝固裂纹b. 影响因素脆性温度区间TB（大不利）塑性变形能力min（小不利）拉伸应变增长率（大不利）凡是影响上述三个指标的因素都将影响凝固裂纹倾向T 2005-6-21 91、热裂纹（2）凝固裂纹b. 影响因素1）合金元素合金元素对凝固裂纹的影响与其所处的合金系统有关。同一元素在不同的合金系统中的作用可能完全相反；根据合金元素对结晶温度区间的影响可以判断其对脆性温度区间和凝固
4、裂纹敏感性的影响；合金系统不同、合金状态图不同，合金元素的影响也不同；共同点：凡促使结晶温度区间扩大的元素都促使凝固裂纹敏感性增大；Si对18-8有利（促）Si对25-20有害（共晶）2005-6-21 101、热裂纹（2）凝固裂纹b. 影响因素2）晶间易熔物数量和形态晶间易熔物质是形成晶间液膜、从而引起凝固裂纹的根本原因；数量：量少不足以形成晶间液膜；量多起“愈合”作用；共晶系合金裂纹倾向小；过多晶间塑性降低形态：以液膜形态存在时，凝固裂纹敏感性最大；而以球状存在时，裂纹敏感性较小。第三元素的加入来改变有害杂质的分布形态是一种有效措施Mn/S对硫化物形态影响2005-6-21 111、热裂纹
5、（2）凝固裂纹b. 影响因素3）一次结晶组织及其形态初生相的结构影响杂质的偏析和晶间层的性质：钢中的初生相为时就能比时溶解更多的S和P（0.18/2.8-0.05/0.25）初生相的晶粒大小、形态和方向：初生相为粗大的方向性很强的柱状晶时，连续液膜增加了裂纹的倾向措施：细化晶粒增加晶界数量（变质处理）、增加第二相以减少杂质含量并细化晶粒（形成元素如Si）2005-6-21 121、热裂纹（2）凝固裂纹b. 影响因素4）工艺因素拘束条件直接影响到凝固过程中金属所受的拉伸应变（铸型退让性、焊接拘束）冷却速度会影响到金属凝固过程中的枝晶偏析程度以及金属的变形速度等。焊接预热可降低冷速温度场的分布应尽
6、可能均匀，以减少应变集中和杂质集中（铸件厚大部位凝固晚，是杂质和应变集中地，故易裂，“冷铁”加快冷却）拘束条件冷却速度温度场分布2005-6-21 131、热裂纹（）液化裂纹液化裂纹与凝固裂纹类似之处：都与晶界液膜有关形成机理不同：液化裂纹的液膜并非在凝固过程中产生，而是由于加热过程中晶界局部熔化形成的液膜铸件中没有液化裂纹焊接和激光表面重熔时可能产生液化裂纹2005-6-21 141、热裂纹（）液化裂纹晶界低熔点杂质熔化引起的液化裂纹焊接：焊缝边上的过热区内可能出现晶界局部熔化锻造：燃料中含S量过高，S渗入热强钢或镍基合金的晶界，生成低熔点共晶Ni3S2-Ni引起红脆；加热温度过高、停留时间
7、过长等使氧渗入晶界，并发生晶界氧化，形成氧化物易熔共晶体，造成过烧2005-6-21 151、热裂纹（）液化裂纹集中热源快速加热时的高温热影响区内，由于第二相来不及溶入而引起的共晶反应导致的晶界熔化相可以一直保持到高于共晶温度的T2-相界面上发生共晶反应，引起晶界熔化2005-6-21 161、热裂纹（）液化裂纹危害及防止措施液化裂纹本身危害不大，但能诱发凝固裂纹和冷裂纹等液化裂纹倾向与合金成分的设计及其纯度有关焊接：消除焊接热影响区中过热区的液化裂纹很困难，只有采用熔点低于晶间液膜的焊缝金属，才有可能起到“愈合”作用锻造：为防止晶间熔化需要严格控制加热温度2005-6-21 171、热裂纹（
8、）高温失塑裂纹实际固相线温度以下的脆性温度区间内，高温晶界脆化和应变集中于晶界引起锻件表面出现龟裂纹焊缝或高温热影响区中失塑裂纹形成机理存在两种模型三晶粒相交的顶点，由于应变集中引起的楔劈开裂模型高温低应力下的空穴开裂模型晶界上存在的杂质有利于降低空穴的表面能，促使微裂纹形成2005-6-21 182、冷裂纹冷裂纹比热裂纹更具危害性：产生的温度区间=工作温度冷裂纹产生的温度：与其引起的原因有关与氢的扩散集聚和脆化有关的氢致裂纹（氢致延迟裂纹或延迟裂纹）与氢无关、仅与材料的脆性有关的冷裂纹分类冷裂纹产生的温度与AM转变脆化有关的裂纹，产生温度为Ms到室温；与转变脆化有关的裂纹，开始产生的温度更高
9、一些）2005-6-21 192、冷裂纹（1）氢致裂纹a. 氢致裂纹的形成条件氢化物引起脆化拉应力对氢脆敏感的组织拉应力氢氢致裂纹2005-6-21 202、冷裂纹（1）氢致裂纹b. 影响因素1）氢的影响2）组织的影响3）应力的影响2005-6-21 212、冷裂纹（1）氢致裂纹b. 影响因素1）氢的影响（决定裂纹形成过程中的延迟特点，断口上的氢脆开裂特征）高温溶解氢室温过饱和残留氢（缺陷内分子）扩散氢扩散逸出积聚和脆化高温分解为原子氢氢致裂纹2005-6-21 221）氢的影响扩散氢在金属中的扩散行为对其脆性和延迟开裂起着决定性的作用（温度高逸出；温度低不易扩散积聚）裂纹的产生与其产生部位的
10、局部实际扩散氢含量有关氢的扩散积聚相变诱导扩散应力诱导扩散浓度扩散超过临界值发生氢脆2005-6-21 23“相变诱导扩散”机理：不同组织中氢的溶解度和扩散能力不同相变不同步的诱因相变不同步的诱因加热和冷却不均匀：冷却快的部位先发生转变成分不均匀：含碳量低的部位先发生转变2005-6-21 24“应力诱导扩散”和“浓度扩散”应力诱导扩散：当金属中有内应力存在、特别是有应力集中时，则将促使扩散氢向高拉应力区集聚浓度扩散：在焊接和激光表面重熔时，由于金属局部熔化和吸氢引起的局部含氢量高于四周的基体金属，使氢由高浓度区向低浓度区扩散（焊缝与基体金属交界处的热影响区中往往存在一个富氢区）。2005-6
11、-21 252）组织的影响无论何原因引起氢在金属中的扩散集聚，只要其局部含氢量超过一定的临界值后就会发生氢脆扩散氢临界值取决于组织状态和应力组织状态=氢致裂纹的必要条件（奥氏体钢不产生、马氏体钢易产生）硬度塑性组织氢致裂纹的组织因素析出相夹杂物淬硬情况弥散分布-吸氢陷阱晶界分布-脆化晶界 MnS条状尖端高应力诱导扩散聚集细小、球形CaS.MnS吸氢陷阱2005-6-21 26氢脆的敏感性指数%100=bLCbSI式中b-强度极限值（未渗氢）LC-下临界应力（渗氢后）130lg80 = HVISIs与硬度的关系与硬度的关系VMoCrNiCuMnCCE51515115115161+=硬度与淬硬倾向
12、（碳当量）有关硬度与淬硬倾向（碳当量）有关临界含氢量2005-6-21 273）应力的影响应力决定延迟特征UC时，断裂即时发生、无延迟现象UCLC时，断裂具有延迟特征，而且拉应力越小，启裂所需的临界氢浓度越高，延迟时间（即潜伏时间）越长th2005-6-21 373、应力腐蚀裂纹（2）形成的条件及其影响因素1）材料与介质匹配方引起应力腐蚀2）引起应力腐蚀的th与材料特性和腐蚀介质有关 42MgCl2的水溶液中，奥氏体不锈钢的ths奥氏体不锈钢在高温高压水中th 0.2%C)板条马氏体(0.2%C)体心立方自回火强韧性好体心正方晶格畸变微裂纹内应力脆性大2005-6-21 492、M-A组元引起
13、的脆化低合金高强钢中容易出现的一种不正常组织产生于特定条件下（与合金成分和冷却速度有关）的贝氏体转变时，富碳的奥氏体小岛，在随后的冷却过程中又转变为高碳马氏体（M）和残余奥氏体（A）的混合物 M-A组元中马氏体的含碳量高，因此它是一种脆性组织；钢材的脆化程度随M-A组元的增加而增加2005-6-21 503、上贝氏体引起的脆化上贝氏体形成的温度低于无碳贝氏体的形成温度碳原子的扩散能力较低，碳原子从铁素体中脱溶后已不能通过铁素体奥氏体相界向奥氏体中充分扩散，因此就以碳化物的形式在铁素体板条的边上析出，呈断续的杆状分布于铁素体板条之间其韧性较低，裂纹很容易沿着铁素体板条之间的碳化物扩展上贝下贝20
14、05-6-21 514、两相区淬火组织当钢材快速加热到Ac1Ac3温度区间时，铁素体基本上没有变化，奥氏体主要由珠光体转变而成奥氏体的含碳量很高，相当于共析成分快冷后的组织为硬脆的高碳马氏体和未转变的铁素体，这也是一种脆性的混合组织（M+F）2005-6-21 525、晶间析出物引起的脆化氮化物（如AlN）在晶界呈块状析出以及晶界薄膜状的Fe3C或粗大的碳化物都能引起脆化脆性转变温度随碳化物层厚度的增大而升高应设法使碳化物呈细小弥散分布2005-6-21 536、金属间化合物引起的脆化（1）金属间化合物并非都是有害的硬脆相，主要取决于其晶体结构。拉弗斯（Laves）相和是有害的硬脆相（2）相的产生与合金的成分和温度条件有关高铬铁素体不锈钢在500800范围内长期加热会产生相，通过加热到900急冷则能消除相奥氏体不锈钢中含有少量铁素体时，在600900长时间停留时可由铁素体转变为相或直接由奥氏体析出相2005-6-21 547.3.3 杂质引起的脆化在固溶状态下强化基体的同时引起脆化钛合金中含氧量达到0.3%或含氮量达到0.13%防止吸氧和吸氮非金属夹杂物引起的脆化氧化物、硫化物和硅酸盐等夹杂物形成过饱和固溶体引起时效脆化钢杂质元素O和N的过饱和固溶体脱氧和形成稳定碳化物作业1、2、6、8、10、13、14、16作业1、2、6、8、10、13、14、16
