文档介绍：小铁研式抗裂试验及断口分析
蒋应田
辽宁石油化工大学
LNPU
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、了解焊接冷裂纹断口的典型形貌。
二、实验装置及实验材料
1、  材料
试板(材质为被测材料)12块
(焊条强度级别与试板等强度)
2、  设备
焊机(直流焊机) 1台
气割设备 1套
砂轮切片机 1台
放大镜、秒表、手锤等各 1个
腐蚀液若干
三、实验原理
1、  冷裂纹的测试方法简介
焊接冷裂纹倾向的测定方法很多,常用的有:最高硬度法、斜y坡口对接裂纹试验法(“小铁研式”抗裂实验)、刚性拘束裂纹试验(RRC试验)、拉伸拘束试验(TRC)、插销试验等。
按照接头拘束类型可把抗裂试验分为自拘束抗裂试验和外拘束性抗裂试验两大类。
自拘束抗裂试验主要评价材料(焊材)抗热、冷裂纹性能,确定焊接规范(不开裂时)及热处理情况(包括预热、后热)。这种试验只是定性地进行。象小铁研试验、窗口试验等。
外拘束性试验适用于定量评定材料的裂纹倾向,以及可以比较深入地进行有关理论研究工作,像插销试验法等。
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。
3、  冷裂纹的种类
⑴延迟裂纹
主要特点是:不在焊后立即出现,具有延迟现象。主要取决于钢中的淬硬倾向,焊接接头的应力状态合熔敷金属中的扩散氢含量。
⑵淬硬脆化裂纹
主要特点:焊后立即开裂,不受扩散氢的影响,只在拘束应力的作用下产生。
产生原因:由于冷却时马氏体相变而产生的脆性造成的。主要取决于钢的淬硬性和拘束条件。一般采用较高的预热温度和使用高韧性的焊条基本上可以防止这种裂温。
⑶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,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
4、  延迟冷裂纹的产生机理分析
在三种冷裂纹中,延迟裂纹的危害性最大,最具有普遍性。因此,这里主要介绍这中裂纹的产生情况。有关研究证明:钢材的淬硬倾向,焊接接头含氢量及其分布,以及接头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。这三个因素在一定条件下是互相联系和相互促进的。
下面就三大因素简单介绍一下。
⑴钢材的淬硬倾向,主要决定于化学成分、板厚、焊接工艺和冷却条件等。钢淬硬后开裂主要有以下的两个方面原因。
①形成脆硬的马氏体组织
马氏体的脆硬是因碳饱和固溶在α—Fe种,使晶格发生较大的畸变而难以变形(滑移),这样断裂时将消耗较低的(很少)能量。因此,马氏体的存在时利于裂纹的形成和扩展。
②淬硬会形成更多的晶格缺陷
碳在α—Fe中过饱和固溶,导致严重的晶格畸变,形成大量的晶格缺陷,主要是空位和位错。在不平衡条件下,位错和空位发生移动和聚集,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Hmax作为评定指标。
⑵扩散氢的作用
大量的研究证明,氢的聚集开始于焊后约60秒(室温下板厚20mm),约冷至100~150℃,在焊后1~2小时达到最大值(在有缺口效应的部位),然后逐渐耗散。
氢聚集的程度随钢种的化学成分不同而不同。在较高的拘束条件下(R≥21700N/mm·mm)氢聚集系数N(N=C/C0,C—聚集氢浓度,C0—初始氢浓度)随
Pcm(碳当量)的变化如下: Pcm=% N=;
Pcm=% N=;
Pcm=% N=
高强钢焊后冷却至100℃附近时扩散氢在某些部位(应力应变最大区域)发生聚集而起到起裂作用,因此,把100℃时的残余扩散氢HR100称为有效氢含量。
式中H0—凝固时焊缝的处时含氢量
hW—焊缝的平均厚度
M—氢的热扩散因子
一般手工电弧焊时,,则
用回归方程法可求的M如下:
适用范围t150=~630s t200=~166s t250=~103s t300=~
对于一般低合金钢,焊后延迟裂纹的出现往往在热影响区,这与焊缝及热影响区组织变化和氢的扩散过程有关。
由于一般低合金钢焊缝金属的含碳量低于热影响区,在冷却时会在较高的温度就发生相变,即由奥氏体分解为铁素体、珠光体、贝氏体以及低碳马氏体等。在分解同时,原先溶解在焊缝的很多氢会极力进行扩散和逸出,当然,原子