曹智的无损检测博客
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金属材料的头号“杀手”——裂纹

我们常说焊缝的强度低于母材,是因为在焊接过程中,焊缝内部容易产生未熔合、未焊透、气孔、夹渣、裂纹等缺陷,从而会降低焊缝的承载截面积。或者是焊接技术的特性,在焊接过程中,温差会引起元素分布不均、晶粒组织不均,从而降低焊缝的力学性能,导致焊缝的强度降低。通俗一点,称为焊缝质量差,焊缝质量差,会导致焊缝断裂而失效。这些似乎是公认的理论,但是冥冥之中,我总感觉缺少点什么。

我们搞电站锅炉在役检测(锅炉定期检验),经常听到有人说这样的话,“焊缝中存在这么长的未焊透,下次检修时之前肯定爆;这么严重的未熔合,一开机就爆…”。类型于这样的观点对吗?是未焊透、未熔合、超标气孔和夹杂引起焊缝失效的吗?我认为类似这样的话,在特定情况下可能有道理,但更多的是有失偏颇。

比如有一台电站锅炉运行了二三十年,抽查某个集箱或某个其他部件时,超声检测发现焊缝中存在一条超标缺陷,通过多次验证判定为未熔合(运行二三十年的锅炉,很少发现焊接缺陷,仅作为一个例子来探讨。但并不排除运行了5年、10年的锅炉,可能存在严重的焊接缺陷。因为电站锅炉每次检修,实行按一定比例抽查,该焊缝可能不在之前的抽查范围内)。如果存在应力集中、材质老化严重,或锅炉经过改造,运行参数发生改变,这条未熔合可能会引起焊缝断裂失效,发生事故。(图片来源:网络,当阳热电厂爆炸现场)

湖北当阳电厂爆炸现场

湖北当阳电厂爆炸现场

但是更多的情况,这条未熔合引起焊缝失效的可能性很小。因为如果应力分布均衡、材质老化不严重,运行参数的变化不明显,未熔合诱发裂纹的速率就会很慢,裂纹扩展的速率也会很慢。如果焊缝中的未熔合经历了前5年、10年的正常运行,并未诱发裂纹,焊缝不会在短时间内失效。因此,该未熔合可称为良性缺陷,文章后面会继续介绍良性与恶性的裂纹。

引起焊缝失效,必定是由裂纹引起,而裂纹的产生是一个复杂的过程,比如存在冷热交替应力、材质老化、运行参数改变产生的应力变化等因素共同促使下,或者其中某个因素是主谋,未熔合缺陷诱发裂纹,裂纹在恶劣的环境下,进一步扩展,当裂纹发展到一定程度,焊缝断裂失效,引发事故。

举个不恰当的例子,比如地震来临时,房屋会发生摇晃,摇晃中,房屋的墙体会开裂,当地震加剧时,或是房屋的地基不深,或是豆腐渣工程,墙体裂纹会进一步发展,当裂纹达到一定程度时,房屋会轰然倒塌。

导致房屋倒塌的根本原因是什么?有人会说是地震导致房屋倒塌的根本原因,也有的人认为地基不牢、豆腐渣工程是根本原因。真的是这样吗?如果是这样的话,同一区域、不同质量的房子,或者不同区域、相同质量的房子,为什么有些会坍塌,而另外一些仍然屹立不倒呢?

我认为裂纹才是引起房屋倒塌的根本原因,地震是产生裂纹的一个因素,地震加剧、地基不牢、豆腐渣工程等是引起裂纹加速扩展的因素。只有诸多因素的共同作用下,才会致使裂纹扩展至承载极限的长度,最终导致房屋倒塌。而没有倒塌的房子,也可能会产生裂纹,但裂纹扩展速率较慢,等到地震结束后,房子进行加固,仍可继续使用。

这让我想到以前的一个新闻,一辆超载的货车压塌了桥,货车司机被判刑,而负责设计和建造的桥梁的单位却没有了后文。是货车压塌了桥,还是豆腐渣工程促使桥的垮塌呢?相信人人的心中,都有一个明确的答案。

房屋倒塌和焊缝失效存在异曲同工之处,当焊缝中裂纹的长度超过承载极限时,焊缝就会断裂,而不是强度降低、焊接缺陷等原因导致焊缝失效。焊缝中的缺陷、焊缝的力学性能降低,就好比地基不牢、豆腐渣工程,是引起裂纹加速扩展的因素,应力(焊接过程中产生的拘束力,或设备运行过程中的疲劳应力和载荷应力)的改变是产生裂纹的必要条件。

焊缝裂纹的产生、扩展直至断裂,遵循一定的规律。张春国博士的篇论文《高强钢双金属焊接疲劳裂纹扩展机理及组织演化规律研究》,描述了金属疲劳失效过程,共分为七个阶段,即细分了裂纹的萌发、扩展、断裂的过程。

裂纹萌芽、扩展、断裂过程

裂纹萌芽、扩展、断裂过程

  • 疲劳裂纹核心形成阶段:金属或焊接构件在交变载荷作用下,经过多次应力循环后,由于位错运动,在部分晶粒处形成滑移带,滑移带进一步发展形成疲劳裂纹源。焊缝产生疲劳裂纹源的地方可能有未熔合、未焊透、气孔、非金属夹杂(统称为应力集中部位)等缺陷
  • 剪切裂纹形成阶段:剪切裂纹由剪切力引起的斜裂纹;剪切裂纹通常从金属表面的疲劳裂纹源开始(电站锅炉在役检测,裂纹多出现于焊缝表面,磁粉检测或渗透检测常见表面裂纹),沿最大切应力方向由晶界向内扩展,此尖端裂纹扩展方向与主应力方向呈一定夹角,直到裂纹扩展方向转向和主应力方向垂直。
  • 物理小裂纹扩展阶段:剪切裂纹方向转向主应力方向垂直时,是物理小裂纹扩展阶段的开始,直到疲劳裂纹扩展到长裂纹扩展的最小长度(约1mm)。
  • 长裂纹扩展第一阶段:从小裂纹扩展值一定长度的裂纹,此阶段裂纹扩展速率较快。
  • 长裂纹扩展第二阶段:此阶段为疲劳裂纹稳定扩展阶段,扩展速度近似匀速。裂纹扩展速率取决于裂纹尖端特性(裂纹尺寸、构件几何特征以及载荷有关)及材料本身的抗疲劳性能。
  • 长裂纹扩展第三阶段:此尖端为疲劳裂纹失稳扩展阶段,裂纹扩展速度较快。
  • 失稳断裂阶段:构件发生韧性撕裂或脆性断裂。对于韧性较好的金属材料,断裂前会发生明显的塑形变形;对于脆性好的材料,则不产生明显的塑形变形而发生断裂失效(断裂前无明显的征兆),这进一步加剧了断裂失效的危险。

其中(1)-(3)为疲劳裂纹萌生阶段,(4)-(6)为疲劳裂纹扩展阶段,(7)为构件断裂失效阶段。

拜读了发表在远东无损检测论坛的两篇博客文章,《裂纹「良性」和「恶性」》和《也说裂纹的「良性」和「恶性」》,作者是具有丰富的实践经验者——黄建明先生和知名无损检测专家——强天鹏。

显微镜下的微观裂纹

显微镜下的微观裂纹

黄建明先生认为疲劳裂纹有「良性」和「恶性」之分。就像人类的「良性肿瘤」和「恶性肿瘤」一样,「良性肿瘤」的是不会死亡的,「恶性肿瘤」(癌症)的会很快死亡。实际工作时,对「恶性」的立即拆除更换,「良性」的定期监控使用,成功为客户贏得时间和金钱,同時在不影响生产的情況下也保障了安全使用。

强总给出了几个判断良性裂纹与恶性裂纹的依据。运行过程中产生的裂纹比制造过程中产生的裂纹危险;垂直于主应力方向的裂纹比不垂直于主应力方向的裂纹危险;向深度方向扩展的裂纹比向长度方向扩展的裂纹危险;处于结构应力集中点上的裂纹比不在结构应力集中点上的裂纹危险;交变载荷下的裂纹比静载荷下的裂纹危险。

文章均指出裂纹可分为良性和恶性,所谓良性裂纹指裂纹不发生扩展或扩速率较慢,而恶性裂纹是指扩散速度快。区分裂纹良性和恶性的对待,可以节约企业的生产成本、提高生产效率,以及降低发生安全事故的概率,但需具备扎实的专业知识和丰富的现场经验。

裂纹是金属材料断裂失效的头号“杀手”,无损检测工作(特别是在役检测)是检测人员与裂纹的“零和博弈”。因此,工作中掌握一定的裂纹知识十分必要。我本是学习无损检测专业,对金属材料及焊接方面的知识,好比不知庐山真面目,只缘身在此山中。将不断的学习,并分享学习中的体会和收获。


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