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1、小铁研式抗裂试验及断口分析 蒋蒋应田田辽宁石油化工大学辽宁石油化工大学LNPULNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学一、实验目的1、通过实验，使学生了解评价金属材料可焊性的常用实验方法。2、认识冷裂纹产生的三个条件。3 3、了解焊接冷裂纹断口的典型形貌。 LNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学二、实验装置及实验材料二、实验装置及实验材料1、材料材料试板（材质为被测材料）试板（材质为被测材料）12块块焊条焊条（焊条强度级别与试板等强度）焊条强度级别与试板等强度）2、设备设备焊机（直流焊机）焊机（直流焊机） 1台台气割设备气割设备 1套套砂轮切片机砂轮切片机 1台台放大镜、秒表、手锤等各放大镜、秒
2、表、手锤等各 1个个腐蚀液腐蚀液 若干若干 LNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学三、实验原理三、实验原理1、冷裂纹的测试方法简介冷裂纹的测试方法简介 焊焊接接冷冷裂裂纹纹倾倾向向的的测测定定方方法法很很多多，常常用用的的有有：最最高高硬硬度度法法、斜斜y坡坡口口对对接接裂裂纹纹试试验验法法（“小小铁铁研研式式”抗抗裂裂实实验验）、刚刚性性拘拘束束裂裂纹纹试验（试验（RRC试验）、拉伸拘束试验试验）、拉伸拘束试验(TRC)、插销试验等。插销试验等。按按照照接接头头拘拘束束类类型型可可把把抗抗裂裂试试验验分分为为自自拘拘束束抗抗裂裂试试验验和和外外拘拘束束性性抗裂试验两大类。抗裂试验两大类。自自
3、拘拘束束抗抗裂裂试试验验主主要要评评价价材材料料（焊焊材材）抗抗热热、冷冷裂裂纹纹性性能能，确确定定焊焊接接规规范范(不不开开裂裂时时)及及热热处处理理情情况况（包包括括预预热热、后后热热）。这这种种试试验只是定性地进行。象小铁研试验、窗口试验等。验只是定性地进行。象小铁研试验、窗口试验等。外外拘拘束束性性试试验验适适用用于于定定量量评评定定材材料料的的裂裂纹纹倾倾向向，以以及及可可以以比比较较深深入地进行有关理论研究工作，像插销试验法等。入地进行有关理论研究工作，像插销试验法等。LNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学2、焊接冷裂纹的产生及危害冷裂纹是焊后冷却较低温度下产生的。对于低合金钢、中
4、碳钢而言，大约在钢的马氏体转变温度MS附近。它是由于拘束应力、淬硬组织和扩散氢的共同作用下产生的。 冷裂纹主要发生在低合金钢、中合金钢、中碳和高碳钢的热影响区，个别情况下，如焊接超高强度钢或某些钛合金时，冷裂纹也出现在焊缝上。危害：接头性能变坏，产生脆性断裂。 LNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学3、冷裂纹的种类延迟裂纹延迟裂纹主主要要特特点点是是：不不在在焊焊后后立立即即出出现现，具具有有延延迟迟现现象象。主主要要取取决决于于钢钢中的淬硬倾向，焊接接头的应力状态合熔敷金属中的扩散氢含量。中的淬硬倾向，焊接接头的应力状态合熔敷金属中的扩散氢含量。淬硬脆化裂纹淬硬脆化裂纹主主要要特特点点:焊焊
5、后后立立即即开开裂裂，不不受受扩扩散散氢氢的的影影响响，只只在在拘拘束束应应力力的的作作用下产生。用下产生。产产生生原原因因：由由于于冷冷却却时时马马氏氏体体相相变变而而产产生生的的脆脆性性造造成成的的。主主要要取取决决于于钢钢的的淬淬硬硬性性和和拘拘束束条条件件。一一般般采采用用较较高高的的预预热热温温度度和和使使用用高高韧性的焊条基本上可以防止这种裂温。韧性的焊条基本上可以防止这种裂温。 低塑性脆化裂纹低塑性脆化裂纹由于某些塑性较低材料，焊后冷至低温时，由于收缩力引起的应由于某些塑性较低材料，焊后冷至低温时，由于收缩力引起的应变超过了材料本身所具有的塑性储备或材质变脆而产生的裂纹，变超过了
6、材料本身所具有的塑性储备或材质变脆而产生的裂纹，成为低塑性脆化裂纹。如：球墨铸铁补焊时，不采取措施而产生成为低塑性脆化裂纹。如：球墨铸铁补焊时，不采取措施而产生白口开裂的现象白口开裂的现象 LNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学4、延迟冷裂纹的产生机理分析在在三三种种冷冷裂裂纹纹中中，延延迟迟裂裂纹纹的的危危害害性性最最大大，最最具具有有普普遍遍性性。因因此此，这这里里主主要要介介绍绍这这中中裂裂纹纹的的产产生生情情况况。有有关关研研究究证证明明：钢钢材材的的淬淬硬硬倾倾向向，焊焊接接接接头头含含氢氢量量及及其其分分布布，以以及及接接头头所所承承受受的的拘拘束束应应力力状状态态是是高高强强钢钢
7、焊焊接接时时产产生生冷冷裂裂纹纹的的三三大大主主要要因因素素。这这三三个个因因素素在在一一定定条条件下是互相联系和相互促进的。件下是互相联系和相互促进的。LNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学下面就三大因素简单介绍一下。下面就三大因素简单介绍一下。钢钢材材的的淬淬硬硬倾倾向向，主主要要决决定定于于化化学学成成分分、板板厚厚、焊焊接接工工艺艺和和冷冷却条件等。钢淬硬后开裂主要有以下的两个方面原因。却条件等。钢淬硬后开裂主要有以下的两个方面原因。形成脆硬的马氏体组织形成脆硬的马氏体组织马马氏氏体体的的脆脆硬硬是是因因碳碳饱饱和和固固溶溶在在FeFe种种，使使晶晶格格发发生生较较大大的的畸畸变变而而
8、难难以以变变形形（滑滑移移），这这样样断断裂裂时时将将消消耗耗较较低低的的（很很少少）能能量量。因此，马氏体的存在时利于裂纹的形成和扩展。因此，马氏体的存在时利于裂纹的形成和扩展。淬硬会形成更多的晶格缺陷淬硬会形成更多的晶格缺陷碳碳在在FeFe中中过过饱饱和和固固溶溶，导导致致严严重重的的晶晶格格畸畸变变，形形成成大大量量的的晶晶格格缺缺陷陷，主主要要是是空空位位和和位位错错。在在不不平平衡衡条条件件下下，位位错错和和空空位位发发生生移动和聚集，在达到一定浓度后便形成裂纹源。移动和聚集，在达到一定浓度后便形成裂纹源。高强钢的淬硬倾向以热影响区最高硬度高强钢的淬硬倾向以热影响区最高硬度H Hma
9、xmax作为评定指标。作为评定指标。LNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学扩散氢的作用扩散氢的作用大大量量的的研研究究证证明明，氢氢的的聚聚集集开开始始于于焊焊后后约约6060秒秒（室室温温下下板板厚厚2020mmmm）, ,约约冷冷至至100100150150，在焊后，在焊后1 12 2小时达到最大值（在有缺口效应的部位），然后逐渐耗散。小时达到最大值（在有缺口效应的部位），然后逐渐耗散。氢氢 聚聚 集集 的的 程程 度度 随随 钢钢 种种 的的 化化 学学 成成 分分 不不 同同 而而 不不 同同 。 在在 较较 高高 的的 拘拘 束束 条条 件件 下下（R21700N/mmmmR2170
10、0N/mmmm）氢聚集系数氢聚集系数N(N=C/CN(N=C/C0 0,C,C聚集氢浓度，聚集氢浓度，C C0 0初始氢浓度初始氢浓度) )随随P Pcmcm（碳当量）的变化如下：碳当量）的变化如下： P Pcmcm=0.20% N=1.7;=0.20% N=1.7; P Pcmcm=0.25% N=3.3;=0.25% N=3.3; P Pcmcm高高强强钢钢焊焊后后冷冷却却至至100附附近近时时扩扩散散氢氢在在某某些些部部位位（应应力力应应变变最最大大区区域域）发发生生聚聚集而起到起裂作用，因此，把集而起到起裂作用，因此，把100时的残余扩散氢时的残余扩散氢H HR100R100称为有效氢
11、含量。称为有效氢含量。式中式中H0凝固时焊缝的处时含氢量凝固时焊缝的处时含氢量 hW焊缝的平均厚度焊缝的平均厚度 M氢的热扩散因子氢的热扩散因子一般手工电弧焊时，则一般手工电弧焊时，则用回归方程法可求的用回归方程法可求的M如下：如下：适用范围适用范围t150630s s t200166s t250103s s t300s sLNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学对对于于一一般般低低合合金金钢钢，焊焊后后延延迟迟裂裂纹纹的的出出现现往往往往在在热热影影响响区区，这这与与焊焊缝缝及及热影响区组织变化和氢的扩散过程有关。热影响区组织变化和氢的扩散过程有关。由由于于一一般般低低合合金金钢钢焊焊缝缝金金
12、属属的的含含碳碳量量低低于于热热影影响响区区，在在冷冷却却时时会会在在较较高高的的温温度度就就发发生生相相变变，即即由由奥奥氏氏体体分分解解为为铁铁素素体体、珠珠光光体体、贝贝氏氏体体以以及及低低碳碳马马氏氏体体等等。在在分分解解同同时时，原原先先溶溶解解在在焊焊缝缝的的很很多多氢氢会会极极力力进进行行扩扩散散和和逸逸出出，当当然然，原原子子氢氢将将会会从从焊焊缝缝向向热热影影响响区区扩扩散散。当当焊焊缝缝由由奥奥氏氏体体转转变变为为铁铁素素体体、珠珠光光体体等等组组织织时时，氢氢的的溶溶解解度度会会突突然然下下降降，而而氢氢在在铁铁素素体体、珠珠光光体体中中的的扩扩散散速速度度很很快快，因因
13、此此氢氢会会被被很很快快地地赶赶到到未未转转变变的的奥奥氏氏体体组组织织中中去去扩扩散散（热热影影响响区区），而而在在热热影影响响区区（奥奥氏氏体体中中）扩扩散散速速度度慢慢，不不能能很很快快地地把把氢氢扩扩散散到到距距熔熔合合线线较较远远的的母母材材中中去去，因因此此在在熔熔合合线线附附近近形形成成了了富富氢氢地地带带。当当滞滞后后相相变变的的热热影影响响区区由由奥奥氏氏体体向向马马氏氏体体转转变变时时（因因焊焊缝缝相相变变超超前前于于热热影影响响区区相相变变），氢氢便便以以过过饱饱和和状状态态残残留留在在马马氏氏体体中中，促促使使这这个个地地区区进进一一步步脆脆化化。如如果果这这个个部部位
14、位有有缺缺口口效效应应（应应力力集集中中、应应变变集集中中），并并且且氢氢的的浓浓度度足足够够高高时时，就就可可能能产产生生根根部部裂裂纹纹或或焊焊趾趾裂裂纹纹。若若氢氢的的浓浓度度更高，可使马氏体更加脆化，也可能产生焊道下裂纹。更高，可使马氏体更加脆化，也可能产生焊道下裂纹。当当焊焊接接某某些些超超高高强强度度钢钢时时，会会由由于于焊焊缝缝成成分分复复杂杂，导导致致焊焊接接热热影影响响区区相相变变先先于于焊焊缝缝，这这样样，氢氢会会相相反反地地从从热热影影响响区区向向焊焊缝缝扩扩散散，那那么么延延迟迟裂裂纹纹就可能在焊缝上产生。就可能在焊缝上产生。LNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学（3
15、3）焊接接头的应力状态）焊接接头的应力状态在焊接时，主要存在以下几种应力在焊接时，主要存在以下几种应力不均匀加热及冷却过程中所产生的热应力；不均匀加热及冷却过程中所产生的热应力；金金属属相相变变时时产产生生的的组组织织应应力力 相相变变产产生生体体积积膨膨胀胀，会会减减轻轻残残余余拉拉伸伸应应力，有利于降低冷裂倾向。力，有利于降低冷裂倾向。结构自身拘束条件所造成的应力结构自身拘束条件所造成的应力拘束应力的大小决定于受拘束的程度，用拘束度拘束应力的大小决定于受拘束的程度，用拘束度R R来表示。来表示。R R的的定定义义：单单位位长长度度焊焊缝缝，在在根根部部间间隙隙产产生生单单位位长长度度的的弹
16、弹性性位位移移所所需需要要的的力。力。平板对接：平板对接： 式中式中EE母材金属的弹性模量母材金属的弹性模量 LL拘束距离拘束距离 板厚板厚由由上上式式知知：改改变变拘拘束束距距离离L L和和板板厚厚可可以以调调节节拘拘束束度度R R的的大大小小。当当R R值值达达到到一定值时就产生裂纹，这是的一定值时就产生裂纹，这是的R R值称为临界拘束度值称为临界拘束度R Rcrcr。LNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学LNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学焊焊接接接接头头拘拘束束应应力力可可采采用用拘拘束束度度来来预预测测，但但并并不不能能完完全全所所反反映映，这主要受钢种类型所限制，两者之间的关系可
17、用下式表达这主要受钢种类型所限制，两者之间的关系可用下式表达 式式中中m拘拘束束应应力力转转换换系系数数，与与钢钢的的线线膨膨胀胀系系数数，力力学学熔熔点点，比比热容以及接头的坡口角度等有关。热容以及接头的坡口角度等有关。 式中式中线胀系数（线胀系数（10-6/）TM力学熔点力学熔点 （） T0环境温度（环境温度（）H热焓（热焓（J/g） 2坡口角度坡口角度C比热熔（比热熔（J/(gC)）低合金钢，手工电弧焊时低合金钢，手工电弧焊时m=(35)10-2LNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学概概括括以以上上，高高强强度度钢钢焊焊接接时时产产生生冷冷裂裂纹纹的的机机理理在在于于钢钢中中产产生生淬淬
18、硬硬之之后后受受氢氢的的侵侵袭袭和和诱诱发发，使使之之脆脆化化，在在拘拘束束应应力力的的作作用用下下产产生生了了裂裂纹纹。当当然然，产产生生冷冷裂裂纹纹的的力力学学行行为为并并不不是是一一般般的的平平均均拘拘束束应应力力，而而是是在在某某一一敏敏感感部部位位（如如有有缺缺口口、内内部部缺缺陷陷等等应应力力集集中中点点）达达到到比比平平均均应应力力更更大大的的应应力力场场才才导导致致开开裂裂。而而氢氢的的作作用用也也不不是是熔熔敷敷金金属属中中的的平平均均含含量量，而而是是冷冷至至150100时时的的残残余余扩扩散散氢氢发发生生聚聚集集而而造造成成临临界界状状态态的的氢氢量量（有有效效氢氢）。钢
19、钢的的淬淬硬硬性性也也不不是是单单纯纯化化学学成成分分所所能能表表达达Pcm(碳碳当当量量)，而而是是采采用用硬硬度度或或脆脆化化度度较较合合理理。这这反反映映了了化化学学成成分和组织形态的共同影响。分和组织形态的共同影响。LNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学1、冷裂纹的斜冷裂纹的斜y形坡口试验法形坡口试验法此法主要评定碳钢和低合金钢焊接热影响区对冷裂纹的敏感性。此法主要评定碳钢和低合金钢焊接热影响区对冷裂纹的敏感性。 具体实验方法是：具体实验方法是：首首先先用用被被焊焊材材料料加加工工成成如如图图所所式式的的试试样样，坡坡口口才才用用机机械械切切削削加加工工。然然后后把把两两端端各各60m
20、m范范围围内内先先用用焊焊缝缝固固定定，焊焊接接时时要要注注意意防防止止角角变形和未焊透。固定焊缝为双面焊接，要保证填满。变形和未焊透。固定焊缝为双面焊接，要保证填满。试试验验焊焊缝缝采采用用手手弧弧焊焊或或自自动动送送进进焊焊条条电电弧弧焊焊，但但要要注注意意焊焊接接时时引引弧弧、熄熄弧弧方方式式并并应应离离开开拘拘束束焊焊缝缝23mm，如如图图2所所式式。试试验验焊焊缝缝可可在在各各种种不不同同温温度度下下施施焊焊，焊焊后后静静止止24h再再检检测测和和解解刨刨。焊焊接接工工艺艺参参数数为为：焊焊条条直直径径4mm，焊焊接接电电流流17010A，电电弧弧电电压压242V，焊焊接接速速度度1
21、5010mm/min。检检测测裂裂纹纹可可用用肉肉眼眼和和放放大大镜镜来来观观察察焊焊接接接接头头的的表表面面和和断断面面上上是是否否存存在在裂裂纹纹，并并用用下下述述方方法分别计算出表面裂纹率，试样上裂纹长度计算的示意图见图法分别计算出表面裂纹率，试样上裂纹长度计算的示意图见图2。LNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学图表1LNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学LNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学LNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学表面裂纹率表面裂纹率：中中Cf表面裂纹率（表面裂纹率（%）lf表面裂纹长度之和（表面裂纹长度之和（mm）L试验焊缝长度试验焊缝长度根部裂纹率根部裂纹率：试样先
22、经着色检验，然后拉：试样先经着色检验，然后拉断或弯断。断或弯断。式中式中Cr根部裂纹率（根部裂纹率（%）l lr r根部裂纹长度之和（根部裂纹长度之和（mmmm）断面裂纹率断面裂纹率：在在试试验验焊焊缝缝上上切切下下4 46 6块块试试片片，检检查查5 5个个断断面面上上的的裂裂纹纹深度。深度。LNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学式中式中CS断面裂纹率（断面裂纹率（%）HS5个断面上裂纹深度之和个断面上裂纹深度之和H5个个 断断 面面 焊焊 缝缝 最最 小小 厚厚 度度 之之 合合（mm）。）。如如果果保保持持焊焊接接规规范范不不变变而而采采用用不不同同的的预预热热温温度度进进行行试试验验时
23、时，可可以以测测的的防防止止冷冷裂裂纹纹的的临临界界预预热热温温度度，以以此此作作为为冷冷裂裂纹纹敏敏感性的指标之一。感性的指标之一。LNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学斜斜y坡口对接裂纹试验的特点：坡口对接裂纹试验的特点：接头拘束度大，根部尖角又有应力集中，因此认为试验中表面裂纹率小于20%，则用于生产就是安全的。斜y坡口对接裂纹试验一般用于评价打底焊缝及其热影响区冷裂纹倾向。而对于焊缝金属则用直角坡口对接裂纹试验。其实验方法及程序同斜y坡口。LNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学1、冷裂纹端口分析冷裂纹端口形态比较复杂。它随金属材料的性能、强度、含氢量的多少，拘束条件和焊接工艺变化。开裂
24、的途径既有穿晶，也有沿晶，以及两种的混合。一般低合金高强钢焊接热影响区的冷裂纹，断口形态主要由准解理（Quasi-cleavage fracture）沿晶（Intergranular fracture） 和 少 量 韧 窝 （ Dimple Rupture）。LNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学冷冷裂裂纹纹一一般般具具有有延延迟迟的的特特征征，因因此此冷冷裂裂纹纹的的断断裂裂过过程程也也是是分分阶阶段段进进行行的的，大大致致可可分分为为三三个个阶阶段段，即即启启裂裂（起起裂裂）扩扩展展（放放射射区区）和和最最后后断断裂裂（剪剪切唇）。切唇）。当然，材料的成分（当然，材料的成分（Pcm）和含氢
25、量将对冷裂断口形态有很大影响。和含氢量将对冷裂断口形态有很大影响。 Pcm对启裂区断口形态的影响对启裂区断口形态的影响用插销试验法对三种不同的用插销试验法对三种不同的Pcm钢即钢即18MnMoNb(Pcm=0.3359%),15MnV(A)钢钢（Pcm=0.3240%）,14MnMoNbB钢（钢（Pcm=0.2635%）研究比较后研究比较后发现发现当随着钢种当随着钢种Pcm增大，启裂区增大，启裂区IG增多，增多，QC减少。减少。 Pcm对扩展区形态的影响对扩展区形态的影响随随着着Pcm增增大大，扩扩展展区区中中IC比比例例增增加加，在在Pcm较较小小时时，还还可可能能以以韧韧窝窝（DR）为主。
26、为主。 Pcm对终端区的形态影响对终端区的形态影响 对对低低合合金金钢钢，冷冷裂裂的的终终端端区区一一般般都都以以DR为为主主。随随着着Pcm的的减减少少，DR更为细化。更为细化。LNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学含氢量对断口形态的影响含氢量对断口形态的影响 随随着着含含氢氢量量的的增增加加，断断口口形形貌貌将将由由韧韧窝窝向向准准解解理理和和沿沿晶晶发发展展。因因此此，随随着着钢钢种种化化学学成成分分和和熔熔敷敷金金属属中中的的含含氢氢量量不不同同，断断口口形形貌貌也也发发生生了了变变化化，其其变变化化情情况况如如下下图所示图所示LNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学一、试件制备一、试件
27、制备1、将将一一定定厚厚度度的的试试样样钢钢板板按按图图1尺尺寸寸下下料料，并按图要求加工坡口。并按图要求加工坡口。2、组组对对试试件件焊焊接接拘拘束束焊焊缝缝，组组对对好好试试件件，按按图上尺寸留好间隙，并用石笔划好分界线。图上尺寸留好间隙，并用石笔划好分界线。3、焊焊满满固固定定焊焊缝缝，均均用用J422含含条条，从从中中间间向向两两边边焊焊，几几层层不不限限，焊焊满满为为止止。但但要要注注意意要要焊透，不能存在夹渣、未焊透以及角变形。焊透，不能存在夹渣、未焊透以及角变形。LNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学一、试验步骤一、试验步骤Pcm1、调调整整焊焊接接规规范范：4焊焊条条，电电流流
28、17010A，电电压压24V，焊焊速速15010mm/min，并并先先在在废废钢钢板板上上试试焊以便掌握焊速。焊以便掌握焊速。2、焊焊接接试试验验焊焊道道，分分别别用用烘烘干干好好的的J502或或J507焊焊条，以规定焊速施焊一道。条，以规定焊速施焊一道。3 3、 试件焊后，在室温放置试件焊后，在室温放置24H后，检查裂缝情况。后，检查裂缝情况。具体计算情况见前面具体计算情况见前面。 LNPU辽宁石油化工大学宁石油化工大学一、试验结果即分析一、试验结果即分析1、记记录录下下试试验验日日期期、时时间间、环环境境温温度度和和湿湿度度；试试件件钢钢号号及及化化学学成成分分，试试件件状状态态、试试件件厚厚度度及及其其轧轧制制方方向向；焊焊前前试试件件温温度度、焊焊接接电电源源种种类类、焊焊接接极极性性、焊焊条条牌牌号号、焊焊条条直直径径、焊焊条条的的烘烘干干温温度度和和时时间间，焊焊接接电电流流、焊焊接接电电压压和和焊焊接接速速度度；试试件件开开始始解解刨刨时时间间和和方方法法；裂裂纹纹长长度及其裂纹率。度及其裂纹率。2、计算试验焊缝的裂纹率计算试验焊缝的裂纹率3、如如果果在在试试验验过过程程中中裂裂纹纹率率指指标标超超过过了了标标准准，应应采采取什么措施加以防治，为什么？取什么措施加以防治，为什么？
