冷裂纹的发生机理有哪些？

对于易淬硬的高强度钢来说，冷裂纹是一种在焊后冷却过程中，在Ms点附近或更低的温度区间逐渐产生的，也有的要推迟很久才产生。冷裂纹的起源多发生在具有缺口效应的焊接热影响区，发生位置一般均在热影响区中的熔合区或物理化学性能不均匀的氢聚集的局部地带。冷裂纹的断裂路径，有时沿晶扩展，有时穿晶扩展，而且常常可见到沿晶和穿晶的混合断裂。冷裂纹的裂口是具有金属光泽的脆性断口。

大量的生产实践和理论研究证明，钢种的淬硬倾向、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度钢焊接时产生冷裂纹的三个主要因素。这三个因素在一定条件下是相互联系和相互促进的。当焊缝和热影响区中有对氢敏感的高碳马氏体组织形成，又有一定数量的扩散氢时，在焊接拘束应力的作用下，就可能产生氢致裂纹。

1.钢的淬硬倾向

钢的淬硬倾向主要决定于化学成分和冷却条件。焊接时钢的淬硬倾向越大，越易产生裂纹。可归纳为以下三方面。

（1）形成脆硬的马氏体组织 马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，碳原子以间隙原子存在于晶格之中，使铁原子偏离平衡位置，晶格发生较大畸变，致使组织处于硬化状态。特别是在焊接条件下，近缝区的加热温度高达1350～1400℃，使奥氏体晶粒发生严重长大，当快速冷却时，粗大的奥氏体将转变为粗大的马氏体。马氏体是一种脆硬组织，发生断裂时将消耗较低的能量，因此，焊接接头有马氏体存在时，裂纹易于形成和扩展。

应当指出，同属马氏体组织，由于化学成分和形态不同，对裂纹的敏感性也不同。马氏体的形态与含碳量和合金元素有关。低碳马氏体呈板条状，而且它的Ms点较高，转变后有自回火作用，因此这种马氏体除具有较高的强度之外，尚有良好的韧性。当钢中的含碳量较高或冷却较快时，就会出现呈片状的马氏体，而且在片内有平行状的孪晶，又称孪晶马氏体。它的硬度很高，性能很脆，对裂纹敏感性很强。钢材的化学成分直接决定着接头的淬硬倾向，因此可根据钢的化学成分粗略估计冷裂纹的倾向，即所谓的碳当量法。

（2）淬硬会形成更多的晶格缺陷 金属在受力不平衡的条件下会形成大量的晶格缺陷（主要是空位和位错）。在应力和热力不平衡的条件下，空位和位错都会发生移动和聚集，当它们的浓度达到一定的临界值后，就会形成裂纹源。在应力的继续作用下，就会不断地扩展而形成宏观的裂纹。

（3）淬硬倾向越大氢脆敏感性越大 焊缝和热影响区中有氢存在时，会降低其韧性，产生氢脆。不同组织对氢脆的敏感性也不同，氢脆敏感性增大的排列顺序为：奥氏体、纯铁素体、铁素体＋珠光体、低碳马氏体、贝氏体、索氏体、托氏体、高碳马氏体。淬硬组织高碳马氏体对氢脆的敏感性很强，冷裂很敏感。

以上就是淬硬倾向对产生冷裂的作用。为了识别淬硬的程度，常以硬度作为标志，所以在焊接中常用热影响区的最高硬度HV_max来评定某些高强度钢的淬硬倾向。它既反映了马氏体含量和形态的影响，也反映了位错密度的影响。

2.氢的作用

氢是引起高强度钢焊接时产生延迟裂纹的重要因素之一，许多文献上将由氢引起的延迟裂纹称为“氢致裂纹”或“氢诱发裂纹”。试验研究证明，高强度钢焊接接头的含氢量越高，则裂纹的敏感性越大，当局部区域的含氢量达到某一临界值时，便开始出现裂纹，此值称为产生裂纹的临界含氢量。

氢脆现象很早就引起了人们的重视，然而对氢脆的本质目前还不是十分清楚。国内外学者对此进行了深入的研究，提出了多种学说解释氢脆的本质。张文钺和张汉谦分别在其著作中讨论了关于氢脆的几个主要理论，如空洞内气体压力学说、位错陷阱捕氢学说、氢吸附脆化学说、晶格内聚力削弱脆化学说、板状氢聚集脆化学说、氢促进局部延性变形脆化学说等。陈奇志等研究发现，氢致脆断机理即氢使奥氏体不锈钢由韧变脆的根本原因是氢抑制了无位错区中纳米级微裂纹向空洞的转化，微裂纹不是钝化为空洞，而是通过多个微裂纹的形核及相互连接导致裂纹的脆性扩展。蒋生蕊等研究提出，氢脆机理是氢气团促进裂纹尖端位错源开动，促进滞后塑性变形发生，提高塞积群顶端的位错密度和应力强度因子，促进该处微裂纹的形成和扩展。A.H.M.Krom等研究表明，氢的聚集与应变率密切相关，不均匀应变产生的位错具有捕捉氢的作用，这样就会使得氢在高应变区聚集，使局部区域发生脆化。

冷裂纹延迟出现的原因是氢在钢中的扩散、聚集、产生应力，直至开裂需要一定的时间。W.F.Sayage和张文钺通过对焊接接头氢的微观分布及其逸出动态观察实验也验证了这个规律。实验中发现，在微裂纹的尖端附近，氢气泡间歇地出现，有时也大量逸出。氢是沿着组织晶界逸出，并聚集在夹杂物和缺欠附近，有应力集中的缺口部位氢气泡的数量显著增加。该现象可用氢的应力扩散理论来说明。如图8-19所示，由微观缺欠构成的裂纹源常呈缺口存在。在受力的过程中，会在缺口部位形成有应力集中的三向应力区，氢就极力向这个区域扩散，应力也随之提高，当此部位氢的浓度达到临界值时，就会发生启裂和相应扩展。其后，氢又不断地向新三向应力区扩散，达到临界浓度时，又发生新的裂纹扩展，这种过程可周而复始断续进行，直至成为宏观裂纹。这种过程的进展情况要由氢的含量、逸出和内部能量状态等因素而定。由此看来，氢所诱发的裂纹，从潜伏、萌生、扩展，以至开裂是具有延迟特征的。因此可以说，焊接延迟裂纹就是由许多单个的微裂纹断续合并而形成的宏观裂纹。

图8-19 氢致裂纹的扩展过程(www.xing528.com)

3.焊接接头的拘束应力

高强度钢焊接时产生延迟裂纹不仅取决于钢的淬硬倾向和氢的有害作用，而且还取决于焊接接头所处的应力状态，甚至在某些情况下，应力状态还起决定作用。

焊接接头的拘束应力主要包括热应力、相变应力及结构自身拘束条件（包括结构形式和焊接顺序等方面）所造成的应力。前两种为内拘束应力，后一种为外拘束应力。内、外拘束应力共同作用，使焊接接头处产生很大的内应力，是产生冷裂纹的重要因素之一。

焊接拘束应力的大小取决于受拘束的程度，可以采用拘束度R来表示。R是指单位长度焊缝在根部间隙产生单位长度的弹性位移所需要的力。实际上拘束度表示在不同焊接条件下，冷却过程中所产生的拘束应力的程度。如同样的材料与板厚，由于接头的坡口形式不同，即使同样的拘束度，也会有不同的拘束应力。拘束应力按下列顺序依次减小：半V形、K形、斜Y形、X形和正Y形。其中以正Y形坡口的接头拘束应力最小，而半V形坡口拘束应力最大。

焊接时产生的拘束应力不断增大，当增大到开始产生裂纹时，称为临界拘束应力σ_cr。它实际反映了产生延迟裂纹各个因素共同作用的结果，如钢种的化学成分、接头的含氢量、冷却速度和当时的应力状态等。

4.高强度钢热影响区延迟裂纹的形成

在焊接高温下，一些含氢化合物分解析出原子状态的氢，大量的氢溶解于熔池金属中，在熔池的冷却凝固过程中，随着温度的下降和组织的变化，氢在金属中的溶解度急剧降低，原子氢不断复合成分子氢，并以气体状态从金属中逸出。但由于焊接冷却速度快，氢来不及完全逸出而残留于焊缝金属。

不同温度下，氢在奥氏体和铁素体中的溶解度和扩散能力有显著的差别。高温时，与铁素体相比，氢在奥氏体中的溶解度较大，扩散系数较小。焊接高强度钢时，由于含碳量较高的孪晶马氏体对裂纹和氢脆的敏感性大，所以一般总使焊缝金属的碳当量低于母材，因而焊缝金属在较高温度下开始相变，即由奥氏体分解为铁素体和珠光体、贝氏体等，个别情况下还可部分转变为低碳马氏体。此时热影响区金属尚未开始奥氏体转变。但由于焊缝金属中氢的溶解度突然下降而扩散能力提高，氢原子便很快由焊缝穿过熔合区ab向热影响区中的奥氏体扩散。如图8-20所示，因氢在奥氏体中的扩散速度小，来不及扩散到离熔合区较远的母材中，所以使靠近熔合区的热影响区中聚集了大量的氢。随着温度的降低，冷却到奥氏体向马氏体转变时，温度已经很低，氢的溶解度更低，且扩散能力已经很微弱，于是便以过饱和状态残存于马氏体中，并聚集在一些晶格缺陷中或应力集中处，当氢的浓度不断增加，而温度不断降低时，有些氢原子结合成氢分子，在晶格缺陷和应力集中处造成很大的压力，而使局部金属产生很大的应力。这样便促使马氏体进一步脆化，在焊接应力和相变应力的共同作用下形成冷裂纹。

当氢的浓度较高时，促使马氏体更加脆化，会形成所谓的焊道下裂纹。若氢的浓度较低，则只有在应力集中处才会出现裂纹，即焊趾裂纹或根部裂纹。

应该指出，焊接热影响区和焊缝金属的淬硬倾向是导致冷裂纹的内在因素。只有当由钢的化学成分和焊接热循环所决定的淬硬组织形成时，氢才能发挥其诱发裂纹的有害作用。

综上所述，焊接高强度钢时，产生冷裂纹的机理在于钢种淬硬之后，受氢的诱发和促进产生脆化，在拘束应力的作用下形成了裂纹。

图8-20 高强度钢热影响区冷裂纹的形成过程