材料成形基本原理第2版刘全坤主编第十一章第六节冷裂纹课件教学.pptVIP

第六节 冷裂纹 冷裂纹是指金属经焊接或铸造成形后冷却到较低温度时产生的裂纹。这类裂纹是中碳钢、高碳钢、低合金高强钢、工具钢、钛合金及铸铁等材料成形加工时或使用过程中极易出现的一类工艺缺陷，对结构的安全使用破坏极大。 一、冷裂纹的分类及特征 二、冷裂纹的影响因素 三、延迟裂纹的形成机理 四、冷裂纹的控制 一、冷裂纹的分类及特征 按裂纹形成原因，冷裂纹可分为以下三类： 延迟裂纹 淬硬脆化裂纹 低塑性脆化裂纹 按加工方法分类 ，可分为： 铸造冷裂纹 焊接冷裂纹 延迟裂纹（氢致裂纹） 在氢、钢材淬硬组织 和 拘束应力 共同作用下产生。 形成温度在 Ms 以下 200℃ 至 室温范围。 具有明显的延迟特征（故又称为氢致裂纹）。 裂纹的产生存在着潜伏期（几小时、几天甚至更长）、缓慢扩展期和突然开裂三个连续过程。由于能量的释放，常可听到较清晰的开裂声音（可用声发射仪来监测）。 常发生在刚性较大的低碳钢、低合金钢的焊接结构中。 淬硬脆化裂纹 某些淬硬倾向大的钢种，热加工后冷却到Ms 至室温时，因发生马氏体相变而脆化，在拘束应力作用下即可产生开裂。这种裂纹又称为淬火裂纹，其产生与氢的关系不大，基本无延迟现象，成形加工后常立即出现。这类裂纹常出现在具有强烈淬硬倾向的高（中）碳钢、高强度合金钢、工具钢的焊件中。 低塑性脆化裂纹 它是某些低塑性材料冷却到较低温度时，由于体积收缩所引起的应变超过了材料本身所具有的塑性储备量时所产生的裂纹。这种裂纹通常也无延迟现象，常发生在铸铁或硬质合金构件的成形加工中。如灰口铸铁在400℃以下基本无塑性，焊接裂纹倾向很大。 铸造冷裂纹是铸件凝固后冷却到弹性状态时，因局部铸造应力大于材料强度极限而引起的开裂。这类裂纹总是发生在冷却过程中承受较高拉应力的部位，特别是应力集中部位。壁厚不均匀、形状复杂的大型铸件容易产生冷裂纹。 焊接生产中经常遇到的低合金钢接头中的延迟裂纹： 二、冷裂纹的影响因素 高强度钢接头产生冷裂纹的主要因素是： （一） 接头中扩散氢的含量与分布 （二） 钢材的淬硬倾向 （三） 接头中的拘束应力状态 实际低合金高强钢接头中产生的冷裂纹是上述三大因素综合作用的结果，但有时可能只是其中一个或二个因素起主要作用，其余的起辅助作用。 三大影响因素的作用可归纳成经验公式来评价冷裂纹敏感性。其中最常用的关系式为： 式中，Pw、Pc是冷裂纹敏感指数；[H]是熔敷金属扩散氢含量； R是拘束度；δ是工件厚度（mm）；Pcm是钢材的碳当量。 （一）接头中扩散氢的含量与分布 因焊接冷却速度很快，高温下溶入液态金属中的氢来不及逸出，以过饱和状态保留在已凝固的焊缝中。由于 H 的尺寸很小，可以在金属晶格点阵中自由扩散，焊后接头中尚未来得及扩散出去的氢称为残留扩散氢 [ H ]R 。焊后 [ H ]R 在浓度差的作用下将自发地向焊缝周围的焊接热影响区扩散。 [ H ]R 在接头中的分布状况取决于氢在接头中的扩散行为，后者服从以下规律： “浓度扩散” “相变诱导扩散” “应力诱导扩散” 可见接头中的 [ H ]R 聚集部位正是延迟裂纹的多发部位。 相变诱导扩散 氢在奥氏体（γ-Fe）中的溶解度较大，扩散系数较小；而在铁素体（α-Fe）中的溶解度较小，扩散系数较大。因此，当金属自高温冷却发生 A→F相变时，氢就会由转变后的铁素体向尚未转变的奥氏体中扩散，导致氢在某些部位产生聚集。 “应力诱导扩散” 氢在金属中有向三向拉伸应力区扩散的趋势。在应力集中或缺口部位常会产生氢的局部聚集，使该处最早达到氢的临界含量。应力梯度越大，氢扩散的驱动力就越大，亦即应力对氢的诱导扩散作用越大。 （二）钢材的淬硬倾向 淬硬倾向是钢材产生冷裂纹的又一重要因素。钢材的淬硬倾向越大，越容易产生裂纹。其原因在于淬硬倾向大的钢材，易形成硬脆的马氏体组织和高密度的晶格缺陷（如空位和位错等），这些晶格缺陷在应力作用下会发生移动和聚集，当其浓度达到临界值时，就会形成裂纹源，并进一步扩展成宏观裂纹。 钢材的碳当量反映了化学成分对硬化程度的影响，据此可以判断钢材的冷裂倾向大小。钢材的碳当量越大，其淬硬倾向和冷裂倾向越大。 （三）接头中的拘束应力状态 如前所述，焊接接头存在拘束应力。拉伸拘束应力是引起冷裂纹的直接原因，并且还会加剧氢的有害作用。 接头的拘束度与拘束应力大小，可近似地用经验公式计算，如平板对接接头： 三、延迟裂纹的形成机理 热应力在