我國(guó)高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼材使用探討

摘 要：論文介紹了焊接裂紋的危害性，對(duì)焊接裂紋進(jìn)行了分類并分析了一般特征。針對(duì)高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼厚板焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生的熱裂紋和冷裂紋進(jìn)行了詳細(xì)分析，分別從裂紋的特征、種類、尤其是其形成機(jī)理和影響因素等各個(gè)方面進(jìn)行了深入的研究和闡述。

關(guān)鍵詞：焊接裂紋 度船體結(jié)構(gòu)

焊接裂紋的形成和預(yù)防

焊接裂紋分類及其一般特征

在焊接生產(chǎn)中由于鋼種和結(jié)構(gòu)的類型不同，可能出現(xiàn)各種裂紋。裂紋的形態(tài)和分布特征都是很復(fù)雜的，有焊縫的表面裂紋、內(nèi)部裂紋，有熱影響區(qū)（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(xiàn)的所謂弧坑（火口）裂紋。

值得注意的是，裂紋有時(shí)出現(xiàn)在焊接過(guò)程中，也有時(shí)出現(xiàn)在放置或運(yùn)行過(guò)程中，即所謂延遲裂紋。因?yàn)檫@種裂紋在生產(chǎn)中無(wú)法檢測(cè)，所以這種裂紋的危害性就更為嚴(yán)重?？偠灾附由a(chǎn)中所遇到的裂紋有多種多樣，遠(yuǎn)非上述所能概括。但就目前的研究，如果按產(chǎn)生裂紋的本質(zhì)來(lái)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(chǎn)中比較常見(jiàn)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(chǎn)生熱裂紋的可能。

結(jié)晶裂紋的形成機(jī)理

結(jié)晶裂紋的這種分布，說(shuō)明焊縫在結(jié)晶過(guò)程中晶界是個(gè)薄弱地帶。從金屬結(jié)晶學(xué)理論可以知道，先結(jié)晶的金屬較純，后結(jié)晶的金屬雜質(zhì)較多，并富集在晶界。一般來(lái)講，這些雜質(zhì)所形成的共晶都具有較低的熔點(diǎn)，例如，當(dāng)碳鋼或低合金鋼的焊縫含硫量偏高時(shí)，能形成FeS，并與鐵發(fā)生作用而形成熔點(diǎn)只有988℃低熔點(diǎn)共晶。

在焊縫金屬凝固結(jié)晶的后期，低熔點(diǎn)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(tài)薄膜”，此時(shí)由于收縮而受到了拉伸應(yīng)力，這時(shí)焊縫中的液態(tài)薄膜就成了薄弱地帶。在拉伸應(yīng)力的作用下就有可能在這個(gè)薄弱地帶開(kāi)裂而形成結(jié)晶裂紋。

總括以上，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的原因，就在于焊縫中存在液態(tài)薄膜和在焊縫凝固過(guò)程中受到拉伸應(yīng)力共同作用的結(jié)果。因此，液態(tài)薄膜是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的內(nèi)因，而拉伸應(yīng)力是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的必要條件。

焊縫是否產(chǎn)生結(jié)晶裂紋主要決定于以下三個(gè)方面：

（1）脆性溫度區(qū)TB的大?。?）在脆性溫度區(qū)內(nèi)金屬的塑性（3）在脆性溫度區(qū)內(nèi)的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率

以上三方面是相互聯(lián)系和相互影響，但又相對(duì)獨(dú)立。例如脆性溫度區(qū)的大小和金屬在脆性溫度區(qū)內(nèi)的塑性主要決定于冶金因素（化學(xué)成分、結(jié)晶條件、偏析程度、晶粒的大小和方向等）；而應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率主要決定于力的因素（被焊金屬的熱物理性質(zhì)、焊件的剛度、焊接工藝和溫度場(chǎng)的分布等）。

至于近縫區(qū)的結(jié)晶裂紋，原則上與焊縫結(jié)晶裂紋的機(jī)理是一致的，但也稍有區(qū)別。近年來(lái)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(jié)晶裂紋的影響因素

從現(xiàn)象來(lái)看，影響結(jié)晶裂紋的因素很多，但從本質(zhì)來(lái)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(duì)鐵結(jié)晶溫度區(qū)間的影響

在船用高強(qiáng)度鋼上的體現(xiàn)也尤其明顯，通常在其化學(xué)成份也都添加了A1， Nb，V等能細(xì)化晶粒的合金元素，以降低結(jié)晶裂紋的敏感性，而且還對(duì)其添加量作了規(guī)定，如鋼中Nb的含量應(yīng)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(guò)細(xì)化晶粒來(lái)減少裂紋的傾向。

力學(xué)因素對(duì)產(chǎn)生結(jié)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(qū)內(nèi)塑性低和脆性溫度區(qū)的范圍寬是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的主要原因，這種條件雖很必要，但不充分。那么產(chǎn)生結(jié)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(shí)脆性溫度區(qū)內(nèi)金屬的強(qiáng)度δm要小于脆性溫度區(qū)內(nèi)金屬所承受的拉伸應(yīng)力δo，即δm<δo”。

焊接冷裂紋

冷裂紋的一般特征

高強(qiáng)鋼焊接冷裂紋一般是在焊后冷卻過(guò)程中，Ms點(diǎn)附近或更近的溫度區(qū)間逐漸產(chǎn)生的，也有的要推遲很久才產(chǎn)生。冷裂紋的起源多發(fā)生具有缺口效應(yīng)的焊接影響區(qū)或有物理化學(xué)不均勻的氫聚集的局部地帶。冷裂紋的斷裂行徑，有時(shí)沿晶界擴(kuò)展，有時(shí)穿晶前進(jìn)，這要由焊接接頭的金相組織和應(yīng)力狀態(tài)，以及氫的含量等而定。這一點(diǎn)不像熱裂紋那樣，都是沿晶開(kāi)裂，而是具有沿晶和穿晶的混合形態(tài)。

冷裂紋可以在焊后立即出現(xiàn)，也有時(shí)要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間（幾小時(shí)，幾天、甚至更長(zhǎng)）才出現(xiàn)。開(kāi)始少量出現(xiàn)，隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸增多和擴(kuò)展。對(duì)于這類不是在焊后立即出現(xiàn)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(tài)。

由于延遲裂紋不是在焊后立即可以發(fā)現(xiàn)，需延遲一段時(shí)間，甚至在使用過(guò)程中才出現(xiàn)，所以它的危害性就更為嚴(yán)重。

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

冷裂紋的種類

在焊接生產(chǎn)中由于采用的鋼種、焊接材料不同，結(jié)構(gòu)的類型、剛度，以及施工的具體條件不同，可能出現(xiàn)各種形態(tài)的冷裂紋，這方面在前面的分類中已作了介紹。然而在生產(chǎn)上經(jīng)常遇到的主要是延遲裂紋，因此本節(jié)重點(diǎn)討論低合金高強(qiáng)鋼的延遲裂紋問(wèn)題。

延遲裂紋還可以進(jìn)一步分類，常見(jiàn)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(chǎn)中經(jīng)常遇到的三種不同形態(tài)的延遲裂紋。當(dāng)然，實(shí)際生產(chǎn)中遠(yuǎn)不止上述三種，例如某超高強(qiáng)鋼筒形容器焊接后，在焊縫和母材均出現(xiàn)許多橫向和縱向微裂紋，它們也具有延遲裂紋的特征，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間之后，有的已擴(kuò)展為宏觀裂紋。又如，15MnV鋼多層焊壓力容器，焊接時(shí)由于預(yù)熱溫度不足和沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行焊后熱處理，在焊縫的層面出現(xiàn)許多橫向微裂紋，也是具有延遲的特征，應(yīng)屬延遲裂紋的一科，。

焊接冷裂紋的機(jī)理

大量的生產(chǎn)實(shí)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(yīng)力狀態(tài)是高強(qiáng)鋼焊接時(shí)產(chǎn)生冷裂紋的三大主要因素。這三個(gè)因素在一定條件下是相互聯(lián)系和相互促進(jìn)的。

以上就是淬硬傾向?qū)Ξa(chǎn)生冷裂的作用。為了識(shí)別淬硬的程度，常以硬度作為標(biāo)志，所以在焊接方面常用熱影響區(qū)的最高硬度Hmax作為評(píng)定某些高強(qiáng)鋼的淬硬傾向。它既反映了馬氏體含量和形態(tài)的影響，也反映了位錯(cuò)密度的影響，所以用硬度來(lái)衡量淬硬傾向是正確的。

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虞?。?970.11-）.男， 漢，上海， 本科 二級(jí)實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師 船舶焊接， 江南造船集團(tuán)職業(yè)技術(shù)學(xué)校