焊縫的淬透性和冷裂紋
42CrMo無縫鋼管的作為中碳調(diào)質(zhì)鋼，其淬硬傾向十分明顯，焊接熱影響區(qū)容易出現(xiàn)硬脆的馬氏體組織，增大了焊接接頭區(qū)的冷裂紋傾向。母材含碳量越高，淬硬性越大，焊接冷裂紋傾向也越大。另外Ms點較低，因而在淬火區(qū)產(chǎn)生大量脆硬的馬氏體，而低溫下形成的難以產(chǎn)生自回火效應(yīng)。馬氏體是碳在鐵中的過飽和固溶體，碳原子以間隙原子存在于晶格之中，使鐵原子偏離平衡位置，晶格發(fā)生較大的畸變，致使組織處于硬化狀態(tài)。馬氏體是一種脆硬的組織，發(fā)生斷裂時將消耗較低的能量。因此，焊接接頭有馬氏體存在時，裂紋是易于形成和擴展。另外淬硬會形成更多的晶格缺陷，金屬在熱力不平衡的條件下會形成大量的晶格缺陷。主要是空位和位錯，在應(yīng)力和熱力不平衡的條件下，空位和位錯都會發(fā)生移動和聚集，當(dāng)它們的濃度達(dá)到一定的臨界值后，就會形成裂紋源。在應(yīng)力的繼續(xù)作用下，就會不斷地發(fā)生擴展而形成宏觀的裂紋。
42CrMo無縫鋼管的焊接冷裂紋一般是在焊后冷卻過程中，在Ms點附近或200～300℃的溫度區(qū)間容易沿?zé)嵊绊憛^(qū)的淬硬區(qū)產(chǎn)生冷裂紋。冷裂紋的起源大多發(fā)生在缺口效應(yīng)焊接熱影響區(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，有時是沿晶界擴散，有時是穿晶前進(jìn)，這要由焊接接頭的金相組織和應(yīng)力狀態(tài)及氫的含量的而定，這一點不像是熱裂紋，都是沿晶界開裂。冷裂紋有時焊后立即出現(xiàn)，有時經(jīng)過一段時間才出現(xiàn)（幾小時，幾天甚至更長）。可是少量出現(xiàn)后，隨著時間增長而逐漸增多和擴展。對于這種不是焊后立即出現(xiàn)的冷裂紋，稱為“延遲裂紋”。由于延遲裂紋不是在焊后立即可以了現(xiàn)，需延遲一段時間，甚至在使用過程中才出現(xiàn)，所以它的危害性就更為嚴(yán)重。
實踐證明，鋼種的淬硬傾向、焊接接頭的氫含量及其分布，以及焊接接頭的拘束應(yīng)力狀態(tài)是產(chǎn)生延遲裂紋的三大主要因素。焊接接頭的淬硬傾向主要取決于鋼種的化學(xué)成分，其次是結(jié)構(gòu)形式，焊接工藝和冷卻條件等。氫是引起焊接冷裂紋的一個重要因素，應(yīng)且有延遲的特征，所以許多文獻(xiàn)又稱之為“氫致裂紋”或“氫誘發(fā)裂紋”。試驗研究證明，焊接接頭的含氫量越高，裂紋的敏感性越大。氫主要是由焊接時，焊接材料中的水分、焊件坡口處的鐵銹、油污，以及環(huán)境濕度所造成的。氫在不同金屬組織中的溶解度和擴散系數(shù)不同。氫在奧氏體中的溶解度遠(yuǎn)比在鐵素體中的溶解度大，并且隨溫度的增高而增加。因此，在焊接時有奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體時，氫的溶解度急劇下降，而氫的擴散速度恰好相反，由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體時突然增大。焊接時在高溫作用下，將有大量的氫溶解在熔池中，在隨后的冷卻和凝固過程中，由于溶解度的急劇降低，氫極力逸出，但因冷卻很快，使氫來不及逸出而保留在焊縫金屬中，使焊縫中的氫處于過飽和狀態(tài)，因而氫要極力進(jìn)行擴散
如圖所示，高溫下，焊接熱影響區(qū)都是奧氏體，隨著熱源移走，由于焊縫的含碳量低于母材，所以焊縫在較高溫度下就發(fā)生相變，也就是奧氏體分解為鐵素體和珠光體。由于母材的含碳量較高，所以熱影響區(qū)金屬還沒有開始奧氏體分解。當(dāng)焊縫由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體、珠光體等組織時，氫的溶解度突然下降，而氫在鐵素體、珠光體中的擴散速度很快，因此氫就很快的從焊縫越過熔合線向尚未發(fā)生分解的奧氏體影響區(qū)擴散由于氫在奧氏體中的擴散速度較小，不能很快把氫擴散到距熔合線較遠(yuǎn)的母材中去，因而在熔合線附近就形成了富氫地帶。當(dāng)滯后相變的熱影響區(qū)由奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時，氫便以過飽和狀態(tài)殘留在馬氏體中，促使這一地區(qū)進(jìn)一步脆化。如果這個部位有缺口效應(yīng)，并且氫的濃度足夠高時，就可能產(chǎn)生根部裂紋或焊趾裂紋。若氫的濃度更高，可使馬氏體更加脆化，也可能產(chǎn)生焊道下裂紋。
圖2.1 冷裂紋的產(chǎn)生
在焊接時，為了防止冷裂紋，應(yīng)盡量降低焊接接頭的含氫量，一方面采用低碳多種微量合金元素的強化方式，在提高強度的同時，也保證具有足夠的韌性。另一方面，采用精煉技術(shù)盡可能降低鋼中的雜質(zhì)，使之硫、磷、氧、氮等元素控制在極低的水平。選用優(yōu)質(zhì)的低氫焊接材料和低氫的焊接方法，它是防止冷裂紋的有效措施之一。采用CO2氣體保護(hù)焊，由于具有一定的氧化性，故而也可獲得低氫焊縫，堿性藥芯焊絲并配合CO2氣體保護(hù)，同樣也可得到低氫焊縫。采用奧氏體焊條焊接某些淬硬傾向較大的中、低合金鋼強鋼，也能很好的避免冷裂紋 。
焊接工藝一般包括正確制定施工程序、選擇焊接線能量、預(yù)熱溫度、焊后后熱，以及焊后熱處理等。為改善接頭的應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)合理地選擇焊縫匹配、注意焊縫的分布位置和施焊的順序。
除了采取焊前預(yù)熱措施之外，焊后須及時進(jìn)行回火處理。另外，42CrMo鋼還具有應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。這種應(yīng)力腐蝕開裂常發(fā)生在水或高濕度空氣等弱腐蝕性介質(zhì)中。為了降低焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開裂傾向，應(yīng)采用熱量集中的焊接方法和較小的焊接熱輸入，避免焊件表面焊接缺陷和劃傷。
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