我國高強度船體結構鋼材使用探討

摘 要：論文介紹了焊接裂紋的危害性，對焊接裂紋進行了分類并分析了一般特征。針對高強度船體結構鋼厚板焊接過程中容易產生的熱裂紋和冷裂紋進行了詳細分析，分別從裂紋的特征、種類、尤其是其形成機理和影響因素等各個方面進行了深入的研究和闡述。

關鍵詞：焊接裂紋 度船體結構

焊接裂紋的形成和預防

焊接裂紋分類及其一般特征

在焊接生產中由于鋼種和結構的類型不同，可能出現各種裂紋。裂紋的形態和分布特征都是很復雜的，有焊縫的表面裂紋、內部裂紋，有熱影響區（HAZ）的橫向、縱向裂紋，有焊縫和焊道下的深埋裂紋，也有在弧坑處出現的所謂弧坑（火口）裂紋。

值得注意的是，裂紋有時出現在焊接過程中，也有時出現在放置或運行過程中，即所謂延遲裂紋。因為這種裂紋在生產中無法檢測，所以這種裂紋的危害性就更為嚴重?？偠灾附由a中所遇到的裂紋有多種多樣，遠非上述所能概括。但就目前的研究，如果按產生裂紋的本質來分，大體上可分為以下四大類：

（1）熱裂紋（2）再熱裂紋（3）冷裂紋（4）層狀撕裂

焊接熱裂紋

熱裂紋是焊接生產中比較常見的一種缺陷，從一般常用的低碳鋼、低合金鋼，到奧氏體不銹鋼、鋁合金和鎳基合金等都有產生熱裂紋的可能。

結晶裂紋的形成機理

結晶裂紋的這種分布，說明焊縫在結晶過程中晶界是個薄弱地帶。從金屬結晶學理論可以知道，先結晶的金屬較純，后結晶的金屬雜質較多，并富集在晶界。一般來講，這些雜質所形成的共晶都具有較低的熔點，例如，當碳鋼或低合金鋼的焊縫含硫量偏高時，能形成FeS，并與鐵發生作用而形成熔點只有988℃低熔點共晶。

在焊縫金屬凝固結晶的后期，低熔點共晶被排擠在柱狀晶體交遇的中心部位，形成一種所謂“液態薄膜”，此時由于收縮而受到了拉伸應力，這時焊縫中的液態薄膜就成了薄弱地帶。在拉伸應力的作用下就有可能在這個薄弱地帶開裂而形成結晶裂紋。

總括以上，產生結晶裂紋的原因，就在于焊縫中存在液態薄膜和在焊縫凝固過程中受到拉伸應力共同作用的結果。因此，液態薄膜是產生結晶裂紋的內因，而拉伸應力是產生結晶裂紋的必要條件。

焊縫是否產生結晶裂紋主要決定于以下三個方面：

（1）脆性溫度區TB的大小（2）在脆性溫度區內金屬的塑性（3）在脆性溫度區內的應變增長率

以上三方面是相互聯系和相互影響，但又相對獨立。例如脆性溫度區的大小和金屬在脆性溫度區內的塑性主要決定于冶金因素（化學成分、結晶條件、偏析程度、晶粒的大小和方向等）；而應變增長率主要決定于力的因素（被焊金屬的熱物理性質、焊件的剛度、焊接工藝和溫度場的分布等）。

至于近縫區的結晶裂紋，原則上與焊縫結晶裂紋的機理是一致的，但也稍有區別。近年來在這方面己作了很多研究，形成了熱裂紋的另一分支，即液化裂紋。

結晶裂紋的影響因素

從現象來看，影響結晶裂紋的因素很多，但從本質來看，主要可歸納為兩方面，即冶金因素和力的因素。

各合金元素對鐵結晶溫度區間的影響

在船用高強度鋼上的體現也尤其明顯，通常在其化學成份也都添加了A1， Nb，V等能細化晶粒的合金元素，以降低結晶裂紋的敏感性，而且還對其添加量作了規定，如鋼中Nb的含量應在0.02%至0.05%之間而V的含量則在0.05%至0.10%之間。從而通過細化晶粒來減少裂紋的傾向。

力學因素對產生結晶裂紋的影響

從上面冶金因素的討論中可以知道，焊縫金屬在脆性溫度區內塑性低和脆性溫度區的范圍寬是產生結晶裂紋的主要原因，這種條件雖很必要，但不充分。那么產生結晶裂紋的充分條件是什么呢？那就是必須要有力的作用。即“焊接時脆性溫度區內金屬的強度δm要小于脆性溫度區內金屬所承受的拉伸應力δo，即δm<δo”。

焊接冷裂紋

冷裂紋的一般特征

高強鋼焊接冷裂紋一般是在焊后冷卻過程中，Ms點附近或更近的溫度區間逐漸產生的，也有的要推遲很久才產生。冷裂紋的起源多發生具有缺口效應的焊接影響區或有物理化學不均勻的氫聚集的局部地帶。冷裂紋的斷裂行徑，有時沿晶界擴展，有時穿晶前進，這要由焊接接頭的金相組織和應力狀態，以及氫的含量等而定。這一點不像熱裂紋那樣，都是沿晶開裂，而是具有沿晶和穿晶的混合形態。

冷裂紋可以在焊后立即出現，也有時要經過一段時間（幾小時，幾天、甚至更長）才出現。開始少量出現，隨時間增長逐漸增多和擴展。對于這類不是在焊后立即出現的冷裂紋，稱為“延遲裂紋”，它是冷裂紋中比較普遍的一種形態。

由于延遲裂紋不是在焊后立即可以發現，需延遲一段時間，甚至在使用過程中才出現，所以它的危害性就更為嚴重。

冷裂紋主要發生在高、中碳鋼、低、中合金高強鋼的焊接的熱影響區，但有些金屬，如某些超高強鋼、欽及欽合金等，有時冷裂紋也發生在焊縫金屬中，

冷裂紋的種類

在焊接生產中由于采用的鋼種、焊接材料不同，結構的類型、剛度，以及施工的具體條件不同，可能出現各種形態的冷裂紋，這方面在前面的分類中已作了介紹。然而在生產上經常遇到的主要是延遲裂紋，因此本節重點討論低合金高強鋼的延遲裂紋問題。

延遲裂紋還可以進一步分類，常見的有以下三種：

（1）焊趾裂紋（2）焊道下裂紋（3）根部裂紋

以上是焊接生產中經常遇到的三種不同形態的延遲裂紋。當然，實際生產中遠不止上述三種，例如某超高強鋼筒形容器焊接后，在焊縫和母材均出現許多橫向和縱向微裂紋，它們也具有延遲裂紋的特征，經過一定時間之后，有的已擴展為宏觀裂紋。又如，15MnV鋼多層焊壓力容器，焊接時由于預熱溫度不足和沒有及時進行焊后熱處理，在焊縫的層面出現許多橫向微裂紋，也是具有延遲的特征，應屬延遲裂紋的一科，。

焊接冷裂紋的機理

大量的生產實踐和理論研究證明，鋼種的淬硬傾向、焊接接頭的含氫量及其分布，以及接頭所承受的拘束應力狀態是高強鋼焊接時產生冷裂紋的三大主要因素。這三個因素在一定條件下是相互聯系和相互促進的。

以上就是淬硬傾向對產生冷裂的作用。為了識別淬硬的程度，常以硬度作為標志，所以在焊接方面常用熱影響區的最高硬度Hmax作為評定某些高強鋼的淬硬傾向。它既反映了馬氏體含量和形態的影響，也反映了位錯密度的影響，所以用硬度來衡量淬硬傾向是正確的。

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