热裂纹产生的因素及影响

影响热裂纹的因素从本质上可分为冶金因素和力学因素两方面。

1.冶金因素的影响

所谓热裂纹的冶金因素主要是合金状态图的类型、化学成分和结晶组织形态等。

（1）合金相图的类型 平衡状态条件下，热裂纹倾向是随合金相图结晶温度区间的增大而增加。由图8-11可以看出，随着合金元素含量的增加，结晶温度区间和脆性温度区（阴影部分）随之增大，因此热裂纹的倾向也增加，一直到S点，此时结晶温度区间和脆性温度区间达到最大，裂纹敏感性也最大。当合金元素含量进一步增加时，结晶温度区间和脆性温度区反而减小，所以裂纹倾向也随之降低。

由于实际焊接条件下焊缝的凝固均属非平衡结晶，故实际固相线要比平衡条件下的固相线向左下方移动（见图8-11上部中的虚线）。它的最大固溶度由S点移至S′点。与此同时，裂纹倾向的变化曲线也随之左移（见图8-11下部中的虚线）。

根据上述分析，并结合大量试验结果，可以利用各种合金相图的类型来预测焊接时热裂纹倾向的大小。由图8-12可以看出，虽然相图的类型不同，但产生热裂纹的倾向却都有共同的规律，即裂纹倾向随结晶温度区间（脆性温度区）的扩大而增加。

图8-11 结晶温度区间与裂纹倾向的关系（B为某合金元素）

实线—平衡状态 虚线—非平衡状态

图8-12 合金相图与结晶裂纹倾向的关系（虚线表示结晶裂纹倾向的变化）

a）完全互溶 b）有限固溶 c）机械混合物 d）完全不固溶

（2）合金元素 合金元素对热裂纹的影响十分复杂又很重要，而且多种元素相互影响要比单一元素的影响更复杂。

1）硫和磷。硫、磷在各类钢中几乎都会增加热裂纹的倾向。在钢的各种元素中，硫和磷的偏析系数最大（见表8-1）。所以在钢中都极易引起结晶偏析。同时，硫和磷在钢中还能形成多种低熔点化合物或共晶。例如，化合物FeS和Fe₃P的熔点分别为1190℃和1166℃；它们与FeO形成的共晶FeS-Fe（熔点985℃）、Fe₃P-Fe（熔点1050℃）等在结晶期极易形成液态薄膜，故对各种裂纹都很敏感。

表8-1钢中各元素的偏析系数K（％）

2）碳。碳在钢中是影响热裂纹的主要元素，并能加剧其他元素的有害作用。由Fe-C相图可知，由于含碳量增加，初生相可由δ相转为γ相，而硫、磷在γ相中溶解度比在δ相中低很多，硫约低3倍，磷约低10倍。如果初生相或结晶终了前是γ相，硫和磷就会在晶界析出，使热裂纹倾向增大。

3）锰。锰具有脱硫作用，能置换FeS为球状高熔点的MnS（熔点1610℃），因而能降低热裂倾向。为了防止硫引起的结晶裂纹，随着钢中含碳量的增加，则Mn／S的比值也应随之增加。当

w_C≥0.1％时，Mn／S≥22；

w_C＝0.11％～0.125％时，Mn／S≥30；(www.xing528.com)

w_C＝0.126％～0.155％时，Mn／S≥59。

锰、硫、碳在焊缝和母材中常同时存在，在低碳钢中对结晶裂纹的共同影响有如下规律：在一定含碳量的条件下，随着含硫量增高，裂纹倾向增大；随着含锰量增多，而裂纹倾向下降；随着含碳量增加，硫的作用则加剧。

4）硅。硅是δ相形成元素，少量硅有利于提高抗裂性。但当w_Si超过0.4％时，会因形成硅酸盐夹杂而降低焊缝金属的抗裂性。

5）镍。镍是促进热裂纹敏感性很高的元素，因镍是强烈稳定γ相的元素，故降低硫的溶解度。此外，如果形成NiS或NiS-Ni，其熔点很低（分别为920℃和645℃），有利于形成热裂纹。因此，含镍的钢对硫的允许含量要求比普通碳钢更低。例如，对质量分数为4％的Ni钢要求（w_S＋w_P）＜0.01％。

（3）凝固结晶组织形态 焊缝在结晶后，晶粒大小、形态和方向，以及析出的初生相等对抗裂性都有很大的影响。晶粒越粗大，柱状晶的方向越明显，则产生热裂纹的倾向就越大。为此，常在焊缝及母材中加入一些细化晶粒元素，如Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al、RE等，一方面使晶粒细化，增加晶界面积，减少了杂质的集中程度；另一方面又打乱了柱状晶的结晶方向，破坏了液态薄膜的连续性，从而提高抗裂性。

在焊接18-8不锈钢时，希望得到γ＋δ双相焊缝组织。因为焊缝中有少量δ相可以细化晶粒，打乱奥氏体粗大柱状晶的方向性，同时，δ相还具有比γ相能固溶更多的有害杂质而减少有害杂质偏析的有利作用，因此可以提高焊缝的抗裂能力，如图8-13所示。

图8-13 δ相在奥氏体基体上的分布

a）单相奥氏体 b）γ＋δ

2.力学因素的影响

焊接热裂纹具有高温沿晶断裂性质。发生高温沿晶断裂的条件是金属在高温阶段晶间塑性变形能力不足以承受当时所发生的塑性应变量，即

ε≥δ_min

式中ε——高温阶段晶间发生的塑性应变量；

δ_min——高温阶段晶间允许的最小变形量。

δ_min反映了焊缝金属在高温时晶间的塑性变形能力。金属在结晶后期，即处在液相线与固相线温度附近，有一个所谓“脆性温度区”，在该区域范围内其塑性变形能力最低。脆性温度区的大小及区内最小的变形能力δ_min，由前述的冶金因素所决定。

ε是焊缝金属在高温时受各种力综合作用所引起的应变，它反映了焊缝当时的应力状态。这些应力主要是由于焊接的不均匀加热和冷却过程而引起，如热应力、组织应力和拘束应力等。与ε有关的因素有以下几种：

（1）温度分布 若焊接接头上温度分布很不均匀，即温度梯度很大，同时冷却速度很快，则引起的ε就很大，极易发生结晶裂纹。

（2）金属的热物理性能 金属的热膨胀系数越大，则引起的ε也越大，越易开裂。

（3）焊接接头的刚性或拘束度 当焊件越厚或接头受到的拘束越大时，引起的ε也越大，热裂纹也越易发生。