金屬材料失效分析詳解

失效分析定義

對裝備及其構件在使用過程中發生各種形式失效現象的特征及規律進行分析研究，從中找出產生失效的主要原因及防止失效的措施，稱為失效分析。

金屬材料的失效形式及失效原因密切相關，失效形式是材料失效過程的表觀特征，可以通過適當的方式進行觀察。而失效原因是導致構件失效的物理化學機制，需要通過失效過程調研研究及對失效件的宏觀、微觀分析來診斷和論證。

失效分析與其他生產環節之間的關系

失效分析與其他學科的關系

失效分類

材料在各種工程應用中的失效模式主要由斷裂、腐蝕、磨損和變形等，其中斷裂失效的危害性最大。

失效形式的分類

彈性變形失效：當應力或溫度引起材料可恢復的彈性變形大到足以影響裝備正常發揮預定的功能時，就出現彈性變形失效。

塑性變形失效：當受載荷的材料產生不可恢復的塑性變形大到足以影響裝備正常發揮預定的功能時，就出現塑性變形失效。

韌性斷裂失效：材料在斷裂之前產生顯著地宏觀塑性變形的斷裂稱為韌性斷裂失效。

脆性斷裂失效：材料在斷裂之前沒有發生或很少發生宏觀可見的塑性變形的斷裂稱為脆性斷裂失效。

疲勞斷裂失效：材料在交變載荷作用下，經過一定的周期后所發生的斷裂稱為疲勞斷裂失效。

腐蝕失效：腐蝕是材料表面與服役環境發生物理或化學的反應，使材料發生損壞或變質的現象，材料發生的腐蝕使其不能發揮正常的功能則稱為腐蝕失效。腐蝕有多種形式，有均勻遍及材料表面的均勻腐蝕和只在局部地方出現的局部腐蝕，局部腐蝕又分為點腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕開裂、腐蝕疲勞等。

磨損失效：當材料表現相互接觸或材料表面與流體接觸并作相對運動時，由于物理和化學的作用，材料表面的形狀、尺寸或質量發生變化的過程，稱為磨損。由磨損而導致構件功能喪失，稱為磨損失效。磨損有多種形式，其中常見粘著磨損、磨料磨損、沖擊磨損、微動磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損等。

金屬材料失效具體形式

失效原因分析

設計不合理

其中結構或形狀不合理，材料存在缺口、小圓弧轉角、不同形狀過渡區等高應力區，未能恰當設計引起的失效比較常見?？傊?，設計中的過載荷、應力集中、結構選擇不當、安全系數過小(追求輕巧和高速度)及配合不合適等都會導致構件及裝備失效。構件及裝備的設計要有足夠的強度、剛度、穩定性，結構設計要合理。

分析設計原因引起的失效尤其要注意：對復雜構件未作可靠的應力計算；或對構件在服役中所承受的非正常工作載荷的類型及大小未作考慮；甚至于對工作載荷確定和應力分析準確的構件來說，如果只考慮拉伸強度和屈服強度數據的靜載荷能力，而忽視了脆性斷裂、低循環疲勞、應力腐蝕及腐蝕疲勞等機理可能引起的失效，都會在設計上造成嚴重的錯誤。

選材不當及材料缺陷

金屬裝備及構件的材料選擇要遵循使用性原則、加工工藝性能原則及經濟性原則，首先要考慮遵循使用性原則。使在特定環境中的構件，對可預見的失效形式要為其選擇足夠的抵抗失效的能力。如對韌性材料可能產生的屈服變形或斷裂，應該選擇足夠的拉伸強度和屈服強度；但對可能產生的脆性斷裂、疲勞及應力腐蝕開裂的環境條件，高強度的材料往往適得

其反。在符合使用性能的原則下選取的結構材料，對構件的成形要有好的加工工藝性能。在保證構件使用性能、加工工藝性能要求的前題下，經濟性也是必須考慮。

制造工藝不合理

金屬裝備及其構件往往要經過機加工（車、銑、刨、磨、鉆等）、熱冷變形（沖、壓、卷、彎等）、焊接、裝配等制造工藝過程。若工藝規范制訂不合理，則金屬設備或構件在這些加工成形過程中，往往會留下各種各樣的缺陷。如機加工常出現的圓角過小、倒角尖銳、裂紋、劃痕；冷熱成形的表面凹凸不平、不直度、不圓度和裂紋；在焊接時可能產生的焊縫表面缺陷(咬邊、焊縫凹陷、焊縫過高)、焊接裂紋、焊縫內部缺陷(未焊透、氣孔、夾渣)，焊接的熱影響區更因在焊接過程經受的溫度不同，使其發生組織轉變不同，有可能產生組織脆化和裂紋等缺陷；組裝的錯位、不同心度、不對中及強行組裝留下較大的內應力等。所有這些缺陷如超過限度則會導致構件以及裝備早期失效。

使用操作不當和維修不當

使用操作不當時金屬裝備失效的重要原因之一，如違章操作，超載、超溫、超速；缺乏經驗、判斷錯誤；無知和訓練不夠；主觀臆測、責任心不強、粗心大意等都是不安全的行為。某時期統計260 次壓力容器和鍋爐事故中，操作事故194 次，占74.5% 。裝備是要進行定期維修和保養的，如對裝備的檢查、檢修和更換不及時或沒有采取適當的修理、防護措施，也會引起裝備早期失效。

引起失效的原因分析

引起失效的常見缺陷

鑄態金屬組織缺陷

鑄態金屬常見的組織缺陷有縮孔、疏松、偏忻、內裂紋、氣泡和白點等。

縮孔

金屬在冷凝過程中由于體積的收縮而在鑄錠或鑄件心部形成管狀（或喇叭狀）或分散的孔洞，稱為縮孔?？s孔的相對體積與與液態金屬的溫度、冷卻條件以及鑄件的大小等有關。液態金屬的溫度越高，則液體與固體之間的體積差越大，而縮孔的體積也越大。向薄壁鑄型中澆注金屬時，型壁越薄、則受熱越快，液態金屬越不易冷卻，在剛澆完鑄型時，液態金屬的體積也越大，金屬冷凝后的縮孔也就越大。

疏松

在急速冷卻的條件下澆注金屬，可避免在鑄錠上部形成集中縮孔，但此時液體金屬與固態金屬之間的體積差仍保持一定的數值，雖然在表面上似乎已經消除了大的縮孔，可是有許多細小縮孔即疏松，分布在金屬的整個體積中。

鋼材在鍛造和軋制過程中，疏松情況可得到很大程度的改善，但若由于原鋼錠的疏松較為嚴重、壓縮比不足等原因，則在熱加工后較嚴重的疏松仍會存在。此外，當原鋼錠中存在著較多的氣泡，而在熱軋過程中焊合不良，或沸騰鋼中的氣泡分布不良，以致影響焊合，亦可能形成疏松。

疏松的存在具有較大的危害性，主要有以下幾種：（1）在鑄件中，由于疏松的存在，顯著降低其力學性能，可能使其在使用過程中成為疲勞源而發生斷裂。在用作液體容器或管道的鑄件中，有時會存在基本上相互連接的疏松，以致不能通過水壓試驗，或在使用過程中發生滲漏現象；（2）鋼材中如存在疏松，亦會降低其力學性能，但因在熱加工過程中一般能減少或消除疏松，故疏松對鋼材性能的影響比鑄件的??；（3）金屬中存在較嚴重的疏松，對機械加工后的表面粗糙度有一定的影響。

偏析

金屬在冷凝過程中，由于某些因素的影響而形成的化學成分不均勻現象稱為偏析。偏析分為晶內偏析、晶間偏析、區域偏析、比重偏析。

由于擴散不足，在凝固后的金屬中，便存在晶體范圍內的成分不均勻現象，即晶內偏析?；谕辉?，在固溶體金屬中，后凝固的晶體與先凝固的晶體成分也會不同，即晶間偏析。碳化物偏析是一種晶間偏析。

在澆注鑄鍵(或鑄件)時，由于通過鑄型壁強烈的定向散熱，在進行著凝固的合金內便形成一個較大的溫差。結果就必然導致外層區域富集高熔點組元，而心部則富集低熔點組元，同時也富集著凝固時析出的非金屬雜質和氣體等。這種偏析稱為區域偏析。

在金屬冷凝過程中，如果析出的晶體與余下的溶液兩者密度不同時，這些晶體便傾向于在溶液中下沉或上浮，所形成的化學成分不均勻現象，稱為比重偏析。晶體與余下的溶液之間的密度差越大，比重偏析越大。這種密度差取決于金屬組元的密度差，以及晶體與溶液之間的成分差。如果冷卻越緩慢，隨著溫度降低初生晶體數量的增加越緩慢，則晶體在溶液中能自由浮沉的溫度范圍越大，因而比重偏析也越強烈。

氣泡

金屬在熔融狀態時能溶解大量的氣體，在冷凝過程中因溶解度隨溫度的降低而急劇減小，致使氣體從液態金屬中釋放出來。若此時金屬已完全凝固，則剩下的氣體不易逸出，有一部分就包容在還處于塑性狀態的金屬中，于是形成氣孔，則稱其為氣泡。

氣泡的有害影響表現如下：（1）氣泡減少金屬鑄件的有效截面，由于其缺口效應，大大降低了材料的強度；（2）當鑄錠表面存在著氣泡時，在熱鍛加熱時可能被氧化，在隨后的鍛壓過程中不能焊合而形成細紋或裂縫；（3）在沸騰鋼及某些合金中，由于氣泡的存在還可能產生偏析導致裂縫。

白點

在經侵蝕后的橫向截面上，呈現較多短小的不連續的發絲狀裂縫；而在縱向斷面上會發現表面光滑、銀白色的圓形或橢圓形的斑點，這種缺陷稱為白點。

白點最容易產生在鎳、鉻、錳作為合金元素的合金結構鋼及低合金工具鋼中。奧氏體鋼及萊氏體鋼中，從未發現過白點；鑄鋼中也可能發現白點，但極為罕見；焊接工件的熔焊金屬中偶爾也會產生白點。白點的產生與鋼材的尺寸也有一定的關系，橫截面的直徑或厚度小于30mm的鋼材不易產生白點。

通常具有白點的鋼材縱向抗拉強度與彈性極限降低并不多，但伸長率則顯著降低，尤其是斷面收縮率與沖擊韌性降低得更多，有時可能接近于零。且這種鋼材的橫向力學性能比縱向力學性能降低得多。因此具有白點的鋼材一般不能使用。

引起失效的常見缺陷金屬鍛造及軋制件缺陷

粗大的魏氏體組織

在熱軋或停鍛溫度較高時，由于奧氏體晶粒粗大，，在隨后冷卻時的先析出物沿晶界析出，并以一定方向向晶粒內部生長，或平行排列，或成一定角度。這種形貌稱為魏氏體組織。先析出物與鋼的成分有關，亞共析鋼為鐵素體，過共析鋼為滲碳體。魏氏體組織因其組織粗大而使材料脆性增加，強度下降。比較重要的工件不允許魏氏體組織存在。

網狀碳化物及帶狀組織

對于工具鋼，鍛造和軋制的目的不但是使毛坯成型，更重要的是使其內部的碳化物碎化和分布均勻。

鋼材表層脫碳

鋼加熱時，金屬表層的碳原子燒損，使金屬表層碳成分低于內層，這種現場稱為脫碳，降低碳量后的表面層叫做脫碳層。脫碳層的硬度、強度較低，受力時易開裂而成為裂源。大多數零件，特別是要求強度高、受彎曲力作用的零件，要避免脫碳層。因此鍛、軋的鋼件隨后應安排去除脫碳層的切削加工。

折疊

折疊通常是由于材料表面在前一道鍛、軋中所產生的尖角或耳子，在隨后的鍛、軋時壓入金屬本身而形成。鋼材表面的折疊，可采用機械加工的方法進行去除。

劃痕

在生產、運輸等過程中，鋼材表面受到機械刮傷形成的溝痕，稱為劃痕，也叫刮傷或擦傷。劃痕缺陷的存在，能降低金屬的強度；對薄鋼板，除降低強度外，還會像切口一樣地造成應力集中而導致斷裂；尤其在壓制時，它會成為裂紋或裂紋擴展的中心。對于壓力容器來說，表面是不允許有嚴重的劃痕存在的，否則會成為使用過程中發生事故的起點。

斑疤

金屬錠及型材的表面由于處理不當，往往會造成粗糙不平的凹坑。這些凹坑是不深的， 一般只有2 ~3mm。因其形狀不規則，且大小不一，故稱這種粗糙不平的凹坑為結疤，也稱為斑疤。

若結疤存在于板材上，尤其是主薄板上，則不僅能成為板材腐蝕的中心，在沖制時還會因此產生裂紋。此外，在制造彈簧等零件用的鋼材上，是不允許存在結疤缺陷的。因為結疤容易造成應力集中，導致疲勞裂紋的產生，大大地影響彈簧的壽命和安全性。

表面裂紋

鋼材表面出現的網狀龜裂或缺口，是由于鋼中硫高錳低引起熱脆，或因銅含量過高、鋼中非金屬夾雜物過多所致。

分層

由于非金屬夾雜、未焊合的內裂紋、殘余縮孔、氣孔等原因，使剪切后的鋼材斷面呈黑線或黑帶，將鋼材分離成兩層或多層的現象，稱為分層。

引起失效的常見缺陷夾雜物及其對鋼性能的影響

（1）夾雜物的分類

鋼在加工變形中，各類夾雜物變形性不同，按其變形能力分為三類：

脆性夾雜物

一般指那些不具有塑性變形能力的簡單氧化物（Al2O3、Cr2O3、ZrO2等）、雙氧化物（如FeO·Al2O3、MgO·Al2O3、CaO·6 Al2O3）、碳化物（TiC）、氮化物(TiN、Ti(CN)AlN、VN等)和不變形的球狀或點狀夾雜物（如球狀鋁酸鈣和含SiO2較高的硅酸鹽等）。

鋼中鋁硅鈣夾雜物具有較高的熔點和硬度，當壓力加工變形量增大時，鋁硅鈣被壓碎并沿著加工方向而呈串鏈狀分布，嚴重破壞了鋼基體均勻的連續性。

塑性夾雜物

這類夾雜物在鋼經受加工變形時具有良好的塑性，沿著鋼的流變方向延伸成條帶狀，屬于這類的夾雜物含SiO2量較低的鐵錳硅酸鹽、硫化錳（MnS）、（Fe, Mn）S等。夾雜物與鋼基體之間的交界面處結合很好，產生裂紋的傾向性較小。

半塑性變形的夾雜物

一般指各種復合的鋁硅酸鹽夾雜物，復合夾雜物中的基體，在熱加工變形過程中產生塑性變形，但分布在基體中的夾雜物（如CaO·Al2O3、尖晶石型的雙氧化物等）不變形，基體夾雜物隨著鋼基體的變形而延伸，而脆性夾雜物不變形，仍保持原來的幾何形狀，因此將阻礙鄰近的塑性夾雜物自由延伸，而遠離脆性夾雜物的部分沿著鋼基體的變形方向自由延伸。

（2）夾雜物對鋼性能的影響

大量試驗事實說明夾雜物對鋼的強度影響較小，對鋼的韌性危害較大，其危害程度又隨鋼的強度的增高而增加。

夾雜物變形性對鋼性能的影響

鋼中非金屬夾雜物的變形行為與鋼基休之間的關系，可用夾雜物與鋼基體之間的相對變形量來表示，即夾雜物的變形率v ，夾雜物的變形率可在v=0~1這個范圍受化，若變形率低，鋼經加工變形后.由于鋼產生塑性變形，而夾雜物基本不變形，便在夾雜物和鋼基體的交界處產生應力集中，導致在鋼與夾雜物的交界處產生微裂紋，這些微裂紋便成為零件在使用過程中引起疲勞破壞的隱患。

夾雜物引起應力集中

夾雜物的熱膨脹系數越小，形成的拉應力越大，對鋼的危害越大。在高溫下加工變形時，夾雜物與鋼基體熱收縮的差別，使裂紋在交界面處產生。它很可能成為留住基體中潛在的疲勞破壞源。危害性最大的夾雜物是來源于爐渣和耐火材料的外來氧化物。

夾雜物與鋼的韌性

超高強度鋼和碳鋼中MnS夾雜物的含量對強度無明顯影響，但可使韌性降低。其中斷裂韌性隨硫含量增加而降低，具有明顯的規律性。

從夾雜物類型比較，硫化物對韌性的影響大于氮化物，在氮化物中ZrN 對韌性的危害較小，夾雜物類型不同而含量相近的情況下，變形成長條狀的MnS對斷裂韌性影響大于不變形的硫化物(Ti-S ， Zr-S) 。

串狀或球狀硫化物對ψ和A kV 均不利，就對短橫試樣的危害而言，串狀比球狀危害更嚴重。

引起失效的常見缺陷

金屬焊接缺陷

焊接缺陷的種類很多，按其在焊縫中所處的位置可分為外部缺陷和內部缺陷兩大類。外部缺陷也叫外觀缺陷。外部缺陷位于焊縫表面，借用肉眼或低倍放大鏡就能觀察到。內部缺陷位于焊縫的內部，必須應用破壞性檢驗或專門無損檢驗方法才能發現。

焊接缺陷分類

焊接區域示意圖

焊縫尺寸不符合要求

焊縫尺寸不符合要求包括：焊縫外形高低不平、焊道寬窄不齊、焊縫余高過大或過小、焊縫寬度太寬或太窄、焊縫和母材之間的過渡不平滑等。

原因分析：（1）焊縫坡口角度、寬度及組裝間隙不統一。（2）焊條直徑選擇不當，造成填充層過高，失去坡口輪廓線，使蓋面寬窄不一，焊縫過高，波紋粗劣。（3）背面清根刨縫質量差，焊道寬度不一。（4）焊接電流過大或過小，運條手法和角度不當以及焊速不均勻。

危害性：尺寸過小的焊縫，會降低焊接接頭的強度；尺寸過大的焊縫，不僅浪費焊接材料，也會增大焊接結構的變形。焊縫金屬向母材的過渡處若不平滑，出現尖角，會造成應力集中，降低焊接結構的承載能力。

預防措施：（1）采用自動和半自動切割機或刨邊機加工坡口。（2）焊縫組對間隙應控制在標準規范要求值以內，背面用碳弧氣刨清根后，采用砂輪修整刨槽及碳化層，使刨槽寬窄一致。（3）選用適當的焊接電流和焊條直徑，遵守焊接工藝，熟練掌握操作技術，保持焊速均勻；手工焊操作人員要熟練地掌握運條速度和焊條角度，以獲得成形美觀的焊縫。

咬邊

咬邊也稱“咬肉”，是電弧或火焰將焊縫邊緣的母材熔化后，沒有得到填充金屬的補充，而留下的凹陷或凹槽。咬邊是一種危險的缺陷，它不但減小了基本金屬的有效工作截面，而且在咬邊處還會造成應力集中。咬邊又是一種常見的缺陷，應該特別引起注意。

焊瘤

熔化金屬流淌到焊縫以外未熔化的母材上形成金屬瘤。該處常伴有局部未熔合，有時也稱滿溢。習慣上，還常將焊縫金屬的多余疙瘩部分稱為焊瘤。焊瘤處應力集中，還易伴生裂縫等缺陷；焊瘤也破壞了焊縫平整光滑的外形，管子內部的焊瘸，除降低強度外，還減小管道的有效截面，造成堵塞觀象。

原因分析：（1）坡口邊緣污物未清理干凈；電流過大，熔池溫度過高，使液體金屬凝固較慢，在自重的作用下下墜而成；焊接速度太慢以及組對間隙太大等。（2）運條角度不當，操作不熟練。焊速過慢也極易產生焊瘤。

預防措施：（1）焊接前應徹底清理坡口及其附近的臟物；組對間隙要合適；選擇適當的焊接電流和運條角度，熟練掌握操作技術，保持焊速均勻。（2）堿性焊條采用短弧焊接，極性反接。

弧坑

弧坑是焊接時，由于斷弧和收弧不當，在焊道末端形成的低洼部分，表面低凹深度大于0.5mm以上?；】拥陀诨窘饘俦砻?，降低了焊接接頭的承載能力，而且弧坑內常伴有氣孔、夾渣、微裂紋等缺陷。

弧坑是由焊縫熔池金屬未填足，熄弧過快或電流過大（薄板時）而造成。預防措施：收弧過程中，焊條要在收弧處作短暫的停留或作回焊運條，使電弧不要突然熄滅、使焊條金屬填滿熔池。

飛濺

手工焊接時，在焊縫及其兩側母材上產生一般性飛濺和嚴重性熔合飛濺。一般性飛濺是手工焊接常見的焊接質量通??；但產生嚴重性熔合性飛濺，其危害甚大，它會增加母材局部表面淬硬組織，易產生硬化發生脆裂及加速局部腐蝕性等缺陷。

弧疤

電弧擦傷也叫弧疤或弧斑，多是由于偶然不慎使焊條或焊把與焊接工件接觸，或地線與工件接觸不良短暫地引起電孤，而在焊接工件表面留下的傷痕，形成許多小圓孔和凹坑。

電弧擦傷處由于電弧的短暫引燃與急速熄滅，冷卻速度快，在易淬火鋼及低溫鋼的工件上，會形成脆性淬硬組織，可能成為脆性破壞的起源點。在不銹鋼等有耐腐蝕性能要求的工件上，電弧擦傷會成腐蝕的起始點，降低材料的性能。

原因分析：操作不慎，使焊條或焊把裸露部分與非焊接部位接觸，短暫地引起電弧，將母材表面擦傷，形成許多小圓孔和凹坑。

預防措施：（1）精心操作，避免帶電的焊條或焊把裸露部分與非焊接區域母材相碰引起電弧。（2）不得在非焊接部位隨意引弧或試電流，引弧應在引弧板上或在焊道破口內進行。（3）地線與母材應緊固良好。

氣孔

氣孔是焊接熔池中氣體在凝固時未能逸出，而殘留在焊縫中所形成的空穴。根據孔穴產生的部位，可分為外部氣孔和內部氣孔；根據分布情況，氣孔又可分為單個氣孔、連續氣孔和密集氣孔等。存在于焊縫內的氣孔，減小了金屬的有效截面，從而使焊接接頭的強度降低；氣孔的邊緣可能發生應力集中，密集氣孔使焊縫組織疏松，使接頭的塑性降低；貫通性氣孔破壞了焊縫的致密性，造成滲漏。焊縫中的氫氣孔還有可能導致裂縫的產生和擴展。

夾渣

夾渣是焊后殘留在焊縫中的熔渣，有的夾在焊縫內部，有的夾在表面溝槽內。

焊縫中的夾渣，降低了接頭的承載能力，容易引起應力集中；影響了焊縫金屬的致密性，還可能造成焊縫的滲漏，由于夾雜物與焊縫金屬的線膨脹系數相差懸殊，溫度劇烈變化時，有可能產生較大應力而導致裂縫。

未焊透

未焊透是焊接時接頭根部未完全熔化而留下的間隙的現象。

未焊透降低了接頭的機械性能，同時由于未焊透部位的缺口及末端會產生嚴重的應力集中，導致產生裂縫。

未熔合

未熔合是指焊縫金屬和母材之間或焊道金屬和焊道金屬之間未完全熔化和結合的部分，它可以分為側壁未熔合、層間未熔合和焊縫根部未熔合。

未熔合減少了接頭承載的有效截面，降低了機械強度。

裂紋

在焊縫或近縫區，由于焊接的影響，材料的原子結合遭到破壞，形成新的界面而產生的縫隙稱為焊接裂縫，它具有缺口尖銳和長寬比大的特征。

裂縫按其產生的部位可分為縱向裂縫、橫向裂縫、弧坑裂縫、根部裂縫、熔合區裂縫及熱影響區裂縫等，按其產生的溫度和時間，又可分為熱裂縫、冷裂縫和再熱裂縫。

熱裂紋在高溫下產生，而且都是沿奧氏體晶界開裂。

焊縫在結晶過程中，固相線附近由于凝固金屬收縮時，殘余液相不足，致使沿晶界開裂，故稱結晶裂紋。結晶裂紋主要出現在含雜質較多的碳鋼焊縫中(特別是含硫、磷、硅、碳較多的鋼種焊縫)和單相奧氏體鋼、鐮基合金，以及某些鋁及鋁合金的焊縫中。

高溫裂紋是指在焊接熱循環峰值溫度作用下，母材近峰區和多層焊縫的層間金屬中，由于含有低熔共晶組成物（如S、P、Si、Ni等）而被重新熔化，在收縮應力作用下，沿奧氏體晶間發生開裂。

多邊化裂紋：焊接時焊縫或近縫區在固相線溫度以下的高溫區間，由于剛凝固的金屬存在很多晶格缺陷（主要是位錯和空位）和嚴重的物理及化學的不均勻性，在一定的溫度和應力作用下，由于晶格缺陷的移動和聚集，便形成了二次邊界，即“多邊化邊界”，邊界上堆積了大量的晶格缺陷，造成組織疏松，高溫時的強度和塑性都很低，只要受少量的拉伸變形，就會沿著多邊化邊界開裂，產生多邊化裂紋，又稱高溫塑性裂紋。這種裂紋多發生純金屬或單向奧氏體合金的焊縫中或近縫區。

再熱裂紋：在進行消除應力熱處理的過程中，在焊接熱影響區的粗晶部位產生裂紋，在重新加熱（熱處理）過程中產生的這種裂紋稱為再熱裂紋，也即雙裂紋。

在消除應力熱處理過程中，熱影響區的粗晶區存在不同程度的應力集中，由于應力松弛所產生附加變形大于該部位的蠕變塑性，則產生再熱裂紋。再熱裂紋與熱裂紋雖然都是沿晶界開裂，但是再熱裂紋產生的本質與熱裂紋根本同，再熱裂紋只在一定的溫度區間（約550~650℃）敏感，而熱裂紋是發生在國相線附近。再熱裂紋多發生在低合金高強鋼、珠光體耐熱鋼、奧氏體不銹鋼，以及鎳基合金的焊接接頭中。

冷裂紋

冷裂紋是指在焊接接頭冷卻到較低溫度時（對于鋼來說在MS溫度，即奧氏體開始轉變為馬氏體的溫度以下）所產生的焊接裂紋。焊接冷裂紋包括淬硬脆化裂紋、延遲裂紋、低塑性脆化裂紋。

最主要的冷裂紋為延遲裂紋（即在焊后延遲一段時間才發生的裂紋，因為氫是最活躍的誘發因素，而氫在金屬中擴散、聚集和誘發裂紋需要一定的時間）。

淬硬傾向大的鋼在焊接熱循環作用下產生淬硬組織，在應力作用下產生裂紋。產生裂紋的敏感溫度在Ms附近，焊接接頭冷卻到一定溫度以下即出現裂紋，沒有延遲開裂特征。一些超高強度鋼、馬氏體不銹鋼、工具鋼具有較高的淬硬脆化裂紋敏感性。一些超高強度鋼、馬氏體不銹鋼、工具鋼具有較高的淬硬脆化裂紋敏感性。

低塑性催化裂紋是指在被焊母材或焊縫金屬本身塑性過低，在焊接熱應力和拘束應力作用下，發生的應變大于其延性而產生的裂紋。低塑性脆化裂紋在焊接接頭冷卻到一定溫度以下即出現，多出現在焊縫和熱影響區表面，沒有延遲特征。鑄鐵、硬質合金堆焊容易產生低塑性脆化裂紋，高合金化鈦合金、鈦鋁金屬間化合物等航空材料也容易產生這類裂紋。

Ti3Al合金焊接結構低塑性脆化裂紋

層狀撕裂

層狀撕裂屬低溫開裂，撕裂溫度不超過400 0C 。層狀撕裂與一般的冷裂紋不同， 它主要是由于軋制鋼材的內部存在有分層的夾雜物(特別是硫化物夾雜物)和在焊接時產生的垂直軋制方向的應力， 致使焊接熱影響區附近或稍遠的地方產生呈“臺階”狀的層狀開裂，并具有穿晶發展。

層狀撕裂主要發生在屈服強度較高的低合金高強鋼(或調質鋼)的厚板結構，如采油平臺、厚壁容器、潛艇等，且材質含有不同程度的夾雜物。層狀撕裂在T形接頭，十字接頭和角接頭比較多見。

金屬熱處理產生的組織缺陷

金屬熱處理缺陷指在熱處理生產過程中產生的使零件失去使用價值或不符合技術條件要求的各種補助，以及使熱處理以后的后續工序工藝性能變壞或降低使用性能的熱處理隱患。

最危險的缺陷為裂紋，其中最主要的是淬火裂紋，其次是加熱裂紋、延遲裂紋、冷處理裂紋、回火裂紋、時效裂紋、磨削裂紋和電鍍裂紋等。

導致淬火裂紋的原因：（1）原材料已有缺陷（冶金缺陷擴展成淬火裂紋）；（2）原始組織不良（如鋼中粗大組織或魏氏組織傾向大）；（3）夾雜物；（4）淬火溫度不當；（5）淬火時冷卻不當；（6）機械加工缺陷；（7）不及時回火。

最常見的缺陷是變形，其中淬火變形占多數，產生的原因是相變和熱應力。

殘余應力、組織不合格、性能不合格、脆性及其他缺陷發生的頻率和嚴重性較低。

內應力來源有兩個方面：（1）冷卻過程中零件表面與中心冷卻速率不同、其體積收縮在表面與中心也不一樣。這種由于溫度差而產生的體積收縮量不同所引起的內用力叫做“熱應力”；（2）鋼件在組織轉變時比體積發生變化，如奧氏體轉變為馬氏體時比體積增大。由于零件斷面上各處轉變的先后不同，其體積變化各處不同，由此引起額內應力稱作“組織應力”。

審核編輯 ：李倩