微观结构和裂纹分析：焊接品质测量的重要步骤

用宏观分析方法无法得出肯定的结论时，就需要采用微观分析方法进行深入的分析。通过对焊接裂纹区及其附近的显微组织、化学成分、夹杂等的检查，可判断出裂纹起始的部位及扩展的路径，定性判断出裂纹部位的受力大小及焊接质量等。利用微观分析手段观察组织和裂纹特征，基本上就可以确定裂纹的性质。

1.微观分析方法

一般采用光学显微镜、扫描电镜、电子探针和俄歇能谱等手段来观察和分析裂纹的特征、起源及扩展。随着科学技术的进步，微观分析的测试手段也在不断完善，例如：利用扫描电镜能谱分析或电子探针分析微区元素及其浓度。这对于鉴别断裂处的某元素浓度、非金属夹杂物、腐蚀产物或氧化膜等是非常有效的。对于一些大型结构，为了不破坏失效的构件，可采用复型金相和胶膜金相，在显微镜下观察金相组织复型和断口复型。这种方法不受构件大小、观察部位及断口凹凸不平的限制。另外，显微组织观察常常不是单一进行的，有时要配合硬度、夹杂物分布的测定工作。

在微观上，裂纹源区一般均是焊接结构的薄弱环节，如焊接热影响区的粗晶区、焊接结构的表面或次表面及应力集中处和材料缺陷处。对于一条主裂纹，由粗到细的形态就是裂纹的扩展过程。当存在放射状微裂纹时，其收敛点位置即为裂纹源。焊接裂纹的扩展途径有沿晶、穿晶和沿晶与穿晶混合三种。

为了分析裂纹的起源及扩展路径，将含裂纹部分切下来，通过逐层抛光、侵蚀的方法来研究裂纹的立体形貌及与组织的对应关系，有时需要采用晶界浸蚀剂浸蚀试样，分析裂纹的具体部位、起源及扩展路径，确定裂纹是穿晶、沿晶还是穿晶和沿晶混合扩展的。裂纹与显微组织的分析不仅要垂直于焊道取样，也要平行于焊道取样。

显微组织与焊接裂纹产生的关系是极为重要的，焊接过热粗晶区容易产生延迟裂纹，这是由于粗大晶粒内部的粗晶马氏体组织的显微硬度较高。显微组织分析注重组织与裂纹间的关系，在显示组织时必须要使它真实、清楚。浸蚀剂应选用适当，浸蚀条件准确，不能过深或过浅。裂纹在浸蚀剂的显示下不能使其因浸蚀而失真，影响裂纹本身的形貌。浸蚀时间要适当掌握，尤其不能太长；浸蚀剂强度不可太大，裂纹内部的浸蚀剂应冲洗彻底，并在热吹风机下迅速处理干净。焊接裂纹试样要在较长时间、较高温度下清除裂纹内残存的浸蚀剂后，立即在显微镜下进行观察，把组织与裂纹的关系拍摄下来。裂纹试样不要长时间放置。

2.焊接裂纹微观特征

（1）热裂纹 对于低碳钢、强度级别较低的低合金钢、镍基合金、不锈钢、铝合金等，热裂纹主要出现在焊缝，并且具有沿晶的特征，有时还带有氧化的色彩。如果某结构出现具有上述特征的裂纹，就可以判断为热裂纹，如图8-40所示为镍基合金热裂纹形貌。有时热裂纹也出现在近缝区，但具有上述的特征，所以仍可以作出判断。结晶裂纹与沿奥氏体晶界的先共析铁素体中的低熔点非金属夹杂物有关，这些夹杂物一般与结晶裂纹连在一起，起着诱发结晶裂纹的作用。

图8-40 NiCr25FeAlY的PVR试样焊接接头热裂纹

a）枝晶间凝固裂纹 b）热影响区液化裂纹(www.xing528.com)

（2）冷裂纹 这种裂纹主要出现在低合金高强度钢、中、高碳钢的焊接热影响区，同时与粗晶淬硬组织有密切关系。裂纹的走向有时穿晶，有时沿晶，根据材质、氢和受力的状态而定。

对于某些强度级别较高的高强度钢和超高强度钢，冷裂纹有时也出现在焊缝上。如在多层焊时，由于层间温度偏低和氢的聚集，冷裂纹也可能出现在焊缝。这时仅用一般显微镜观察有时难以定论，必须用其他更高级的测试手段，如断口分析、探针和透射电镜等。

（3）再热裂纹 这种裂纹的特征是明显的，主要体现在四个方面：再热裂纹发生在热影响区的粗晶区，并且具有晶间开裂的特征；含有一定沉淀强化元素的金属材料才具有产生再热裂纹的敏感性；与再热温度和再热时间有关，存在一个最易产生再热裂纹的敏感温度区；进行消除应力处理之前，焊接区存在有较大的残余应力，并有不同程度的应力集中。除了这四个主要特征之外，再热裂纹的金相组织和裂纹走向都有明显的特征。这种裂纹主要是沿过热粗晶的边界发生和扩展，如再配合热处理前后的检测试验，很容易作出判断。

（4）层状撕裂 在一般光学显微镜下观察，很容易对层状撕裂作出判断，因为它的阶梯状特征极为明显，裂纹在夹杂物处萌生，并沿夹杂物呈梯形扩展，裂纹方向与母材的轧制方向一致，并从母材带状组织中穿过铁素体晶粒。相邻两条裂纹的首尾，由直立的焊缝连通起来，形成台阶状。也有些情况下，阶梯状特征不明显，这时要配合夹杂物分析和断口分析。

（5）应力腐蚀裂纹 这种裂纹的特征更为明显，几乎只在显微镜下观察即可作出判断。从焊缝外观看，无明显的均匀腐蚀痕迹，所观察到的应力腐蚀裂纹呈龟裂形式，断断续续，而且近似横向的裂纹占多数。

最后应当指出，某种材料在某种焊接工艺条件下，具有产生多种裂纹的可能，所以常在同一条裂纹上或在相近的部位产生不同性质的裂纹。有时在热裂纹或冷裂纹的基础上发展成为应力腐蚀裂纹或层状撕裂等，如图8-41所示为起源于焊接热裂纹上的应力腐蚀裂纹。因此需要作细致的分析，才能得出正确的判断。

图8-41 起源于焊接热裂纹的应力腐蚀裂纹

a）AISI 309，80℃×720h，30％MgCl₂ b）AISI 309，105℃×720h，15％MgCl₂