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第7章 缺陷的种类及产生的原因,目录7.1 钢焊缝中常见缺陷及产生原因7.2 铸件中常见缺陷及产生原因7.3 锻件中常见缺陷及产生原因7.4 轧件中常见缺陷及产生原因7.5 使用中常见缺陷及产生原因,承压类特种设备无损检测相关知识,薛振林 陆志春,1,可编辑,7.1 钢焊缝中常见缺陷及产生原因,缺欠与缺陷按GB6417.1-2005，焊接接头中因焊接产生的金属不连续、不致密或连接不良现象称为缺欠，而超过规定的缺欠称为缺陷。7.1.1外观缺陷（形状缺陷）外观缺陷（表面缺陷）是指不用借助于仪器，从工件表面肉眼可以发现的缺陷。常见的外观缺陷有咬边、焊瘤、凹陷及焊接变形等，有时还有表面气孔和表面裂纹。单面焊的根部未焊透也位于焊缝表面。,2,可编辑,7.1.1外观缺陷,1、咬边1）定义：沿焊趾的母材被电弧熔化时所形成的沟槽或凹陷。它是由于电弧将焊缝边缘的母材熔化后没有得到熔敷金属的充分补充所留下的缺口。,常见咬边形式示意图,接管咬边实例,焊缝咬边X片影像,3,可编辑,7.1.1外观缺陷,2）产生原因：（1）电弧热量太高，即电流太大（2）运条速度太小而造成的（3）焊条与工件间角度不正确，摆动不合理（4）电弧过长，焊接次序不合理等（5）直流焊时电弧的磁偏吹也是产生咬边的一个原因（6）某些焊接位置（立、横、仰）会加剧咬边。3）危害性：（1）咬边减小了母材的有效截面积，降低结构的承载能力（2）同时还会造成应力集中，发展为裂纹源。4）预防措施：（1）选用合理的规范，（2）采用正确的运条方式都有利于消除咬边。（3）焊角焊缝时，用交流焊代替直流焊也能有效地防止咬边。,4,可编辑,7.1.1外观缺陷,2、焊瘤1）定义：焊缝中的液态金属流到加热不足未熔化的母材上或从焊缝根部溢出，冷却后形成未与母材熔合的金属瘤即为焊瘤。,焊瘤示意图,焊缝焊瘤,焊瘤X片影像,5,可编辑,7.1.1外观缺陷,2）产生原因：（1）焊接规范过强、焊条熔化过快、焊条质量欠佳（如偏芯）。（2）焊接电源特性不稳定及操作姿势不当等都容易带来焊瘤。在横、立、仰位置更易形成焊瘤。3）危害性：（1）焊瘤常伴有未熔合、夹渣缺陷。（2）此外焊瘤改变了焊缝的实际尺寸，会带来应力集中。（3）管子内部的焊瘤减小了内径，可能造成堵塞。4）预防措施：（1）使焊缝处于平焊位置，正确选用规范。（2）选用无偏芯焊条，合理操作。,6,可编辑,7.1.1外观缺陷,3、凹坑1）定义：凹坑指焊缝表面或背面局部的低于母材的部分。,凹坑示意图,焊缝凹坑实例,凹坑X片影像,7,可编辑,7.1.1外观缺陷,2）产生原因：凹坑多是由于收弧时焊条（焊丝）未作短时间停留造成的（此时的凹坑称为弧坑），仰、立、横焊时，常在焊缝背面根部产生内凹。3）危害性：凹坑减小了焊缝的有效截面积，弧坑常带有弧坑裂纹和弧坑缩孔。4）预防措施：（1）施焊时尽量选用平焊位置，选用合适的焊接规范，（2）收弧时让焊条在熔池内短时间停留或环形摆动，填满弧坑。,8,可编辑,7.1.1外观缺陷,4、未焊满1）定义：未焊满是指焊缝表面上连续的或断续的沟槽,未焊满示意图,焊缝未焊满实例,未焊满X片影像,9,可编辑,7.1.1外观缺陷,2）产生原因：填充金属不足是产生未焊满的根本原因。规范太弱，焊条过细，运条不当等均会导致未焊满。3）危害性：未焊满同样减小了焊缝的有效截面积，削弱了焊缝，也会产生应力集中。同时，由于规范太弱使冷却速度增大，容易产生气孔、裂纹等缺陷。4）预防措施：加大焊接电流，加焊盖面焊缝。,10,可编辑,7.1.1外观缺陷,5、烧穿1）定义：烧穿是指焊接过程中，熔深超过工件厚度，熔化金属自焊缝背面流出，形成穿孔性缺陷。,烧穿示意图,焊缝烧穿实例,接管烧穿X影像,11,可编辑,7.1.1外观缺陷,2）产生原因：（1）焊接电流过大，速度太慢，电弧在焊缝处停留过久，都会产生烧穿缺陷。（2）工件间隙太大，钝边太小也容易出现烧穿现象。3）危害性：烧穿是锅炉压力容器压力管道产品上不允许存在的缺陷，它破坏了焊缝，使接头丧失联接及承载能力。4）预防措施：（1）选用较小电流和合适的焊接速度。（2）减小装配间隙，在焊缝背面加设垫板或药垫。（3）使用脉冲焊，能有效地防止烧穿。,12,可编辑,7.1.1外观缺陷,6、其他表面缺陷,13,可编辑,7.1.2 气孔,1、定义：焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能逸出而残留下来所形成的空穴。2、气孔的分类：从形态分有球状、针孔、柱孔、条虫状；从分布状态有均匀分布状、密集群状和链状之分；按孔内成分有氮气孔、氢气孔、二氧化碳和一氧化碳气孔。,球状气孔 群状均匀分布气孔 条虫状气孔 密集气孔 链状气孔,14,可编辑,典型气孔金相照片,15,可编辑,气孔的X影像,16,可编辑,7.1.2 气孔,3、形成机理：熔池金属在凝固过程中，有大量的气体要从金属中逸出来，当金属凝固速度大于气体逸出速度，就会形成气孔。4、产生气孔的主要原因：1）母材或填充金属表面有锈，油污等，焊条及焊剂未烘干会增加气孔量，因为锈、油污及焊条药皮、焊剂中的水分在高温下分解为气体，增加了高温金属中气体的含量。2）焊接线能量过小，熔池冷却速度大，不利于气体逸出。3）焊缝金属脱氧不足也会增加氧气孔。,17,可编辑,7.1.2 气孔,5、气孔的危害性：气孔减少了焊缝的有效截面积，使焊缝疏松，从面降低了接头的强度，降低塑性，还会引起泄漏。气孔也是引起应力集中的因素。氢气孔还可能促成冷裂纹。6、防止气孔的措施：清除焊丝，工作坡口及其附近表面的油污、铁锈、水分和杂物。采用碱性焊条、焊剂时，要彻底烘干。采用直流反接并用短电弧施焊。焊前预热，减缓冷却速度。用偏强的规范施焊。,18,可编辑,7.1.3夹渣,1、定义：指焊后残留在焊缝中的熔渣。2、分类：按渣的成分可分为金属夹渣（如钨夹渣、铜夹渣）和非金属夹渣（如药皮焊剂形成的熔渣、金属非金属夹杂偏析引起的夹杂等）；按形状可分为点块状和条状；按分布可分为单个点或条状、密集点块状和链状。,点状夹渣 条状夹渣 密集点状夹渣 链状夹渣,19,可编辑,典型夹渣金相照片,20,可编辑,夹渣的X影像,条状夹渣,链状夹渣,密集点状夹渣,21,可编辑,7.1.3夹渣,3、形成机理：熔池中熔化金属的凝固速度大于熔渣的流动速度，当熔化金属凝固时，熔渣未能及时浮出熔池而形成。4、产生原因：坡口尺寸不合理；坡口有污物；多层焊时，层间清渣不彻底；焊接线能量小；焊缝散热太快，液态金属凝固过快；焊条药皮，焊剂化学成分不合理，熔点过高，冶金反应不完全，脱渣性不好；钨极性气体保护焊时，电源极性不当，电流密度大，钨极熔化脱落于熔池中 手工焊时，焊条摆动不正确，不利于熔渣上浮。可根据以上原因分别采取对应措施以防止夹渣的产生。5、危害性：点状与气孔相似，带有尖角的夹渣会产生应力集中，其尖端还会发展为裂纹源，其危害远比气孔严重。,22,可编辑,7.1.4 裂纹,1、定义：在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接接头中局部部位的金属原子结合力遭到破坏而形成新的界面所产生的缝隙称之裂纹。2、裂纹的分类按尺寸大小可分为宏观裂纹、微观裂纹和超显微裂纹（指晶间或晶内裂纹）。,23,可编辑,7.1.4 裂纹,根据裂纹延伸方向，可分为：纵向裂纹（与焊缝平行）；横向裂纹（与焊缝垂直）；辐射状裂纹等。,辐射状裂纹,纵向裂纹,横向裂纹,24,2023/1/16,25,可编辑,7.1.4 裂纹,根据裂纹发生部位，可分为：焊缝裂纹；热影响区裂纹；熔合区裂纹；焊趾裂纹；焊道下裂纹；弧坑裂纹等。,弧坑裂纹,熔合区裂纹,热影响区裂纹,26,可编辑,7.1.4 裂纹,按产生的条件和时机不同可分为:热裂纹（产生于Ac3线附近的裂纹）结晶裂纹冷裂纹（产生于马氏体转变温度M3点200-300 以下的裂纹）延迟裂纹再热裂纹（接头冷却后再加热至550650时产生的裂纹）层状撕裂（金属中杂质偏析在施焊过程中在焊接应力或外拘束应力作用下沿金属轧制方向开裂应力腐蚀裂纹（在应力和腐蚀介质共同作用下产生的裂纹）,27,可编辑,7.1.4 裂纹,3、裂纹形成的原因：一是冶金因素，冶金因素是指由于焊缝产生不同程度的物理与化学状态的不均匀。此外，在热影响区金属中，快速加热和冷却使金属中的空位浓度增加，同时由于材料的淬硬倾向降低了材料的抗裂性能。二是力学因素是指由于快热快冷产生了不均匀的组织区域，造成焊接接头金属处于复杂的应力应变状态。内在的热应力、组织应力、外加的拘束应力以及应力集中相叠加构成了导致接头金属开裂的力学条件。4、危害性：（1）裂纹是焊接缺陷中危害性最大的一种。裂纹是一种面积型缺陷，它的出现将显著减少承载面积。（2）更严重的是裂纹端部形成尖锐缺口，应力高度集中，很容易扩展导致破坏。（3）冷裂纹因为其延迟特性和快速脆断特性，带来的危害往往是灾难性的。世界上的锅炉压力容器压力管道事故绝大部分是由于裂纹引起的脆性破坏。,28,可编辑,7.1.4 裂纹,5、典型裂纹特征分析热裂纹（结晶裂纹）A.形成机理：焊缝金属在凝固过程中（即在固相线附近的高温区内），结晶偏析使杂质生成的低熔点共晶物富集于晶界，形成“液态薄膜”，在特定的敏感温度区（又称脆性温度区）间，其强度极小，在焊缝金属凝固收缩而受到的拉应力作用下，最终开裂形成裂纹。如纵向裂纹、枝晶状横向裂纹和弧坑裂纹。B.影响因素：一是碳元素及有害杂质S、P的含量，随其增加而产生机率增大；二是随着冷却速度加快而增大；三是随着外加拘束应力增大而增大。C.防止措施：1、减小S、P等有害元素的含量，用含碳量较低的、并加入一定的合金元素（Mo、V、Ti、Nb等以减小柱状晶和偏析）的焊材焊接；2、采用合理的焊接工艺和焊接规范，如采用稍大的线能量（熔深较小、多层多道），并改善散热条件，确保低熔点物质全部浮出焊缝金属；采用预热后热处理，减小冷却速度，以减小焊接应力。,29,热裂纹,薛振林 陆志春,30,可编辑,7.1.4 裂纹,冷裂纹A.特征：产生于较低温度，且大多数在焊后一段时间之后出现在焊热影响区或焊缝上，并沿晶或穿晶、或是两者共存的开裂，又称延迟裂纹。B.产生机理：这是因热影响区或焊缝局部存在淬硬组织（马氏体）减小了金属的塑性储备，或是接头内有一定的含氢量，且接头有较大焊接残余应力使接头处于较大的拉应力状态之下，淬硬组织会开裂，氢会发生氢致效应而产生裂纹。C.防止措施：采用低氢碱性焊条，及时后热消氢处理，以减小含氢量；选择合理的焊接规范，提高预热温度，减慢冷却速度，防止出现淬硬组织；选择科学的焊接工艺，采用合理的装配，焊接顺序，以减小焊接变形和焊接应力。,31,可编辑,冷裂纹X影像,32,可编辑,7.1.4 裂纹,再热裂纹A.特征：再热裂纹是在焊后的热处理等再次加热（其加热温度：碳钢与合金钢是550650，奥氏体不锈钢约是300）的过程中，主要发生在热影响区的过热粗晶区，在焊接残余应力作用下沿晶界开裂，沉淀强化的钢种最易产生再热裂纹。B.产生机理：楔形开裂理论，近缝区金属在高温热循环作用下，强化相碳化物（如碳化铬等）沉积于晶内的位错区上，使晶内强化强度大大高于晶界强化强度，尤其是强化相弥散分布在晶粒内时，会阻碍晶粒内部调整，又会阻碍晶粒内部的整体变形。这样，由于应力松弛而带来的塑性变形就主要由晶界金属来承担，于是晶界区金属会产生滑移，且在三晶粒交界处产生应力集中而导致沿晶开裂。C.防止措施：热处理工艺应尽量避开再热裂纹的敏感温度或缩短在此温度区停留时间，改善合金元素的强化作用和对再热裂纹的影响；采用适当的焊前预热和焊后的后热处理，控制冷却速度，以降低焊接残余应力；避免应力集中。,33,可编辑,7.1.5 未焊透,1、定义：焊接时，接头根部未完全熔透的现象，也就是焊件的间隙或钝边未被熔化而留下的间隙，或是母材金属之间没有熔化，焊缝熔敷金属没有进入接头根部所形成的缺陷称之。,未焊透示意图,34,可编辑,7.1.5 未焊透,2、产生原因：焊接电流小、熔深浅；坡口和间隙尺寸不合理，间隙小或坡口尺寸大；焊条药皮偏芯度大或是磁偏吹；焊根清理不良。3、危害性：一是减小了焊缝有效截面积，使接头承载能力降低；二是会引起应力集中，降低焊缝疲劳强度。未焊透是裂纹源，是构件破坏的主要原因之一。4、防止措施：a）使用较大电流来焊接是防止未焊透的基本方法。b）焊角焊缝时，用交流代替直流以防止磁偏吹，c）合理设计坡口并加强清理，用短弧焊等措施也可有效防止未焊透的产生。d）采用合理的运条速度和角度。e）保证对口质量,35,可编辑,未焊透X影像,36,可编辑,7.1.6 未熔合,1、定义：熔焊时，焊道与母材之间或焊道与焊道之间未完全熔化结合的部分；点焊时，母材与母材之间未完全熔化结合的部分称之未熔合。,37,可编辑,7.1.6 未熔合,2、产生原因：焊接电流过小、速度过快；焊条摆动角度不对或磁偏吹；熔池处于下坡焊位置，母材尚未熔化即被铁水覆盖；坡口表面有油污物或氧化物。3、危害性：未熔合是一种平面型（或曰面积型）缺陷，不仅减小有效截面积，降低焊缝承载能力，且应力集中效应非常明显，极易扩展成裂纹，其危害程度仅次于裂纹。4、防止措施：a）采用较大的焊接电流，b）正确地进行施焊操作，c）注意坡口部位的清洁。,38,可编辑,未熔合X影像,39,可编辑,7.1.7 其他焊接缺陷,1、焊缝化学成分或组织不符合要求：如焊材与母材匹配不当，或焊接过程中某些元素烧损致使焊缝化学成分变化或组织不符合要求，从而引起焊缝力学性能和耐腐蚀性能的降低。2、过热和过烧：焊接规范选用不当时，热影响区长时间停留在高温区，会使晶粒变得粗大，产生过热组织。当温度继续升高、停留时间加长，会使晶界发生氧化或局部熔化出现过烧组织（如烧穿空洞周围的组织）。过热组织可以通过热处理来消除，而过烧组织不可逆转，只有通过清除（返修）处理。3、白点：在拉断的焊缝金属断口面上出现的像鱼目状的白色斑点称为白点。这是由于焊缝金属中氢聚集而形成的，危害性极大。,40,可编辑,7.2 铸件中常见缺陷及产生原因,1气孔：凝固时气体来不及逸出，在金属表面或内部形成圆孔2夹渣：铁水中的熔渣没有与铁水分离混进铸件3夹砂：砂型砂子剥落4密集气孔：凝固时金属收缩5冷隔：浇铸温度低，流动不充分，两股熔体相遇而未熔合表面、近表面6缩孔和疏松：收缩以及补缩不足7裂纹：形状不当收缩应力，热裂纹和冷裂纹,41,可编辑,7.3 锻件中常见缺陷及产生原因,1缩孔和缩管：锻造不充分，未被锻合2疏松：收缩、补缩不足锻造不充分未锻合3非金属夹杂物：炼钢或铸锭时，混进的硫化物、氧化物或耐火材料4夹砂：铸锭时熔渣、耐火材料、夹渣物弥散分布留在锻件5折叠：操作不当，表面局部未结合6龟裂：较浅的表面缺陷，材料成分不当、表面状况不好、加热温度和加热时间不适（过高或过低）7锻造裂纹：缩孔残余引起的裂纹。皮下气泡引起的裂纹。柱状晶粗大引起的裂纹。轴芯晶间裂纹引起的锻造裂纹。非金属夹杂物引起的裂纹。锻造加热不当引起的裂纹。锻造变形不当引起的裂纹。终锻温度过低引起的裂纹。8白点：细微裂纹，含氢量高、锻造残余应力、热加工应力、相变应力共同作用。缺陷在断口上呈银白色圆点或椭圆形斑点白点,42,可编辑,7.4 轧材中常见缺陷及产生原因,1、钢管中的缺陷及其产生原因1）纵裂纹，由于加热不良，热处理和加工不当而引起的缺陷。2）横裂纹，由于轧制过于剧烈，加热过度或者冷态加工过多而引起的缺陷。3）表面划伤和直道，由于加工时的导管和拉模的形状不良所引起的缺陷。4）翘皮和折叠，由于圆钢表面夹入杂质或有非金属夹渣物，轧制后形成的局部未结合缺陷。5）分层，钢坯内部有非金属夹杂物或气孔，在轧制时变为扁平的层状缺陷。,43,可编辑,7.4 轧材中常见缺陷及产生原因,2、钢棒和型材中的缺陷及其产生原因1）内部缺陷 钢棒内部缺陷有：钢锭中缩孔未压合，以及压合不当而产生的芯部裂纹，还有严重偏析，白点，非金属夹渣物等，这些缺陷都有一定的延伸性，当轧制比较大时，缺陷也会变为长形，这些缺陷由于延展作用，大多变为星状或扁平状。2）表面缺陷 表面缺陷有材料性缺陷和轧制不当造成的缺陷两类。材料性缺陷是指由钢坯表面和近表面层的气孔和非金属夹杂物为起点造成的线状缺陷（发纹）、小裂纹以及夹杂物引起的翘皮。轧制不当引起的缺陷是指由轧辊加工时造成的折叠或皱纹，以及过烧和鳞状折叠。过烧是由于加热太激烈使表面脆化，因而在压延时产生小鳞状裂纹。鳞状折叠是由于轧制的模子过紧加上材料表面粗糙而造成的。,44,可编辑,3钢板中的缺陷及产生原因,3、钢板中的缺陷及产生原因钢板按其厚度可分为薄板和中厚板，其厚度划分上没有严格的界限，参照我国有关探伤标准。薄板一般指厚度在5mm以下的钢板。6120mm厚度的钢板为中厚板。钢板中的缺陷与锻件和型材中的缺陷大致相同，主要是由材料引起的和轧制引起的两类。这些缺陷主要有分层、裂纹、线状缺陷、非金属夹杂物、夹渣、折叠、翘皮等。由于钢板的轧制是平面压下沿长方面轧制，轧制时有非常大的压下比，所以形成平行于表面的平面状缺陷较多。这类缺陷按其严重程度可分为三类：a.完全剥离的层状裂缝或分层属大缺陷；b.在某个小范围内分层的属中缺陷；c.有点状夹杂物集合的叫小缺陷。,45,可编辑,7.5 使用中常见缺陷及产生原因,1、疲劳裂纹：交变载荷，局部高应力区峰值应力超过屈服极限，晶粒之间发生滑移和位错，产生微裂纹扩展形成疲劳裂纹交变载荷疲劳裂纹循环热应力热疲劳裂纹循环应力和腐蚀介质腐蚀疲劳裂纹2、应力腐蚀裂纹：特定腐蚀介质、拉应力作用裂纹3、氢损伤：临氢氢进入金属造成损伤，如氢腐蚀、氢鼓包、氢致裂纹等4、晶间腐蚀：晶间贫铬5、局部腐蚀：点蚀、缝隙腐蚀、疲劳腐蚀、磨损腐蚀、选择性腐蚀,46,可编辑,7.6 总结,（1）缺陷的分类加工阶段原材料缺陷：裂纹、夹杂物等制造过程缺陷：裂纹、夹渣、气孔、未焊透、未焊透等使用过程中缺陷：裂纹、减薄、氢损伤（氢鼓泡、氢致裂纹）、腐蚀等检测对象：钢板夹杂物、折叠、分层等；锻件夹渣、折叠、裂纹、白点等；铸件疏松、缩孔、裂缝等；焊缝气孔、夹渣、未焊透、未熔合、裂纹等。,47,可编辑,7.6 缺陷总结,（2）各种检测方法易检出的缺陷MT：表面、近表面裂纹、剖口分层、夹杂物等；PT：表面开口性裂纹、针孔等RT：体积状缺陷和和与射线入射方向一致（平行）的面型缺陷UT：垂直于声束的平面状缺陷（裂纹、未焊透、未熔合）及大的体积状缺陷；ET:表面和近表面裂纹、夹杂物等AE:检测在负载状态下裂纹等缺陷的张口位移（发展）情况。TIR：材料缺陷的检测与评价、建筑节能评价、设备状态热诊断、生产过程监控、自动测试、减灾防灾。,48,2023/1/16,49,