液化裂紋敏感性評價試驗方法綜述

彭言言 ，呂曉春 ，徐 鍇 ，安洪亮 ，侯永濤 ，2

1.哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028

2.哈爾濱威爾焊接有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150060

0 前言

機械裝備失效的原因除少數是結構設計以及選材不合理外，主要是產生了焊接缺陷。焊接缺陷包括氣孔、未熔合、熱裂紋、冷裂紋等，其中熱裂紋占很大比重。熱裂紋包括液化裂紋、結晶裂紋與高溫失塑裂紋［1］，液化裂紋尺寸較小卻容易成為冷裂紋、再熱裂紋、脆性破壞和疲勞斷裂的發源地［2］，在各領域都帶來了嚴重的危害。在航天航空領域，航天發動機片葉冠頂面易產生焊接熱影響區（HAZ）液化裂紋，造成飛行事故［3］；在日常生活中，電梯主驅動軸焊接熱影響區熔合線附近由低熔共晶產物引起的液化裂紋常導致電梯事故［4］，因此研究焊接結構的液化裂紋是非常有必要的。

液化裂紋是在多層多道焊的前序焊道或熱影響區固態金屬內部晶界附近，在加熱過程中出現化學元素低熔點組分偏析，或晶界存在低熔點共晶相并且此處晶界優先熔化，在冷卻過程中，液態薄膜不足以支撐收縮應力的作用從而被拉開而產生的裂紋［5］。液化裂紋均為沿晶開裂，裂紋尖端較為圓鈍，且尺寸很小，長度一般都在0.5 mm以下，個別可達1 mm左右［6-7］。影響裂紋開裂的主要因素是熱與力，當二者同時達到開裂所需的臨界值時則發生開裂。根據試驗力的來源熱裂紋試驗分為自拘束試驗（Self Restraint tests）和外載荷試驗（Externally Loaded tests）兩大類。自拘束試驗是通過拘束試件在焊接過程使用剛性固定來產生變形應力，外載荷試驗是通過特定試驗設備施加外部試驗力而使試樣產生應變［8］。

總而言之，由于合金元素的偏析、低熔點共晶或晶界沉淀發生熔化，局部延性不足以支持任何強加的應變時，就會產生液化裂紋［9-10］，液化裂紋的存在影響了結構的完整性，制約著材料的推廣應用。國內外學者已對熱裂機制相關內容進行了大量研究［11-12］，也出現了眾多評價液化裂紋敏感性的試驗方法。因此，本文綜述了幾種常用的焊接液化裂紋敏感性評價試驗方法及判據，并對液化裂紋敏感性評價試驗方法的發展做出展望。

1 自拘束試驗方法

1.1 十字搭接裂紋試驗方法

十字搭接裂紋試驗方法，又名剛性十字形接頭焊接裂紋試驗方法。該方法用于評價厚度1～3 mm的鋁合金、高溫合金、鎂合金、不銹鋼及船體結構用鋼等鎢極氬弧焊及焊條電弧焊薄板的熱影響區液化裂紋敏感性。常用試樣尺寸為100 mm×60 mm×2.5 mm，先將腹板、翼板裝配并進行點焊固定，接著按照圖1中順序和方向繼續焊接，冷卻2 h后檢查熱影響區是否存在裂紋，裂紋多出現在第3道焊縫的起弧區及第4道焊區，通過焊后產生的表面裂紋率來評價液化裂紋敏感性的大小［13］。其試驗裝置如圖1所示。

圖1 十字搭接裂紋試驗裝置及試件［13］Fig.1 Device and specimen cross lap welding crack susceptibility test［13］

表面裂紋率C按式（1）計算，此指數可定性評價材料液化裂紋敏感性。

式中 ?l為4條試驗焊縫裂紋長度之和；?L為4條試驗焊縫長度之和。

十字搭接裂紋試驗方法經常與其他外載荷試驗相結合來評價材料的焊接性。張子文等［14］使用十字搭接裂紋試驗方法與點加熱變拘束試驗，焦好軍等［15］、溫斯涵等［16］使用十字搭接裂紋試驗方法與熱延性試驗對Al-Mg-Si合金及鋁合金等材料液化裂紋的敏感性進行了比較，使用表面裂紋率（Crack Rate，CR）、最大裂紋長度（Max Cracking Length，MCL）等作為液化裂紋敏感性評價指標，得出試驗材料在焊接時應采取的冶金與工藝措施，建立了材料脆性溫度區間和焊接性的關系以及焊絲主成分和焊接性的關系。

1.2 焊縫金屬拉伸試驗

焊縫金屬拉伸試驗（Weld Metal Tensile Test）是對取自對接焊縫中的圓形橫截面（直徑10 mm）熔敷金屬試樣施加試驗力直至斷裂的一種方法［17］。該方法通過檢查斷口鄰近區域所有裂紋，使用微裂紋敏感性指數（Micro-crack susceptibility index，MSI）MSI（TT）定量評價材料的液化裂紋敏感性，金屬拉伸試樣與檢查區如圖2所示［18］。

微裂紋敏感性指數（拉伸試驗）MSI（TT）按式（2）計算：

式中LMF為所有檢測長度大于0.1 mm的裂紋總長度。

1.3 縱向彎曲試驗

縱向彎曲試驗（Longitudinal Bend Test）的試樣是沿對接焊縫縱向制取，當材料在某一溫度區間內所受應變超過熱影響區本身的塑性變形能力時則產生液化裂紋。縱向彎曲試驗是焊縫凝固后期通過彎曲施加應變來研究材料液化裂紋敏感性，是自拘束試驗中常用的方法，可直接定性評價材料液化裂紋，也可使用微裂紋敏感性指數MSI（LBT）進行定量評價［19-22］，取樣位置如圖3所示。微裂紋敏感性指數（縱向彎曲試驗）MSI（LBT）按式（3）計算。

圖3 縱向彎曲試樣取樣位置［18］Fig.3 Sampling position of longitudinal bending specimen［18］

式中b為試樣寬度；l0為試樣原始標距。

1.4 小結

綜上，十字搭接裂紋試驗多用于剛性十字形接頭焊縫及熱影響區液化裂紋敏感性的研究，判定液化裂紋主要是根據裂紋產生位置。在焊縫中心產生的裂紋認為是結晶裂紋，在熱影響區產生的裂紋認為是液化裂紋，但在多層多道焊重熱區產生的裂紋需借助顯微鏡進一步判定，且十字搭接裂紋試驗所用試樣尺寸較大，適用性不強。焊縫金屬拉伸試驗與縱向彎曲試驗都取樣于材料的對接焊縫，所用試樣尺寸較小；縱向彎曲試驗適用于所有電弧焊方法焊接的多道焊焊縫金屬，不僅可以定性評價，還可以定量評價材料液化裂紋敏感性，是自拘束試驗中使用較多的方法。

2 外載荷試驗方法

2.1 熱延性試驗

熱延性試驗又稱為高溫拉伸試驗（Hot Ductil‐ity Test）［23］，使用熱物理模擬試驗機對直徑6 mm、長度110 mm的圓形橫截面試樣進行拉伸以模擬熱影響區熱循環來評價材料液化裂紋敏感性，試樣尺寸如圖4所示，試驗過程如圖5所示［24］。試驗包括加熱與冷卻兩個過程，在加熱過程測定零強度溫度（Nil Strength Temperature，NST），認為此溫度點是發生斷裂的溫度，金屬強度接近零，加熱過程還需測定零延性溫度（Nil Ductility Temperature，NDT），此溫度認為延性為零，本質上為晶界開始熔融，表面出現液態薄膜；在冷卻過程測定延性恢復溫度（Ductility Recovery Temperature，DRT），即將試樣加熱到NDT和NST之間，以規定速率冷卻至試驗溫度進行拉伸加載，延性恢復至可測量時的溫度；通過繪制熱延性曲線，計算液化裂紋敏感溫度區間即NST與DRT的溫度差值來評估液化裂紋敏感性，裂紋敏感溫度區間越大，代表材料液化裂紋敏感性越大。熱延性試驗結果示例如圖6所示［25］。

圖4 熱延性試驗的試樣尺寸［24］Fig.4 Specimen size of hot ductility test ［24］

圖5 熱延性試驗示意［24］Fig.5 Schematic diagram of hot ductility test［24］

圖6 熱延性試驗結果示例［25］Fig.6 Example of hot ductility test results［25］

熱延性試驗具有程序可控化、運行精度高、參數范圍廣、過程可視化的特點，可反復模擬實際構件的受熱與受力情況，從而精確再現材料的微觀結構和宏觀狀態，因此近年來得到了廣泛使用。Lip‐pold等［27］提出熱延性試驗可使用脆性溫度區間（Brittle Temperature Range，BTR）評價材料液化裂紋敏感性，此溫度判據已獲得多數學者的認可。Caron等［25］針對HY系列、HSLA系列和BA系列典型的船用高強鋼進行了液化裂紋敏感性研究，采用熱延性試驗方法獲得了BA-160液化裂紋敏感溫度區間（Liquid Crack Temperature Range，LCTR），并認為其敏感性較高。常鳳華等［28］采用熱延性試驗、可調拘束試驗高溫設備用改進型不銹鋼焊接性進行了評價，發現熱延性試驗延性恢復比判據（Ratio of Ductility Recovery，RDR）與可調拘束試驗MCL判據具有良好對應關系。材料液化裂紋敏感性還可根據“極限抗拉強度-斷面收縮率”曲線獲得延性恢復率（Ductility Recovery Rate，DRR）和零延性溫度區間等進行評價。

但熱延性試驗方法冷卻速度與真實焊接情況相比較慢，且試樣表面溫度和內部溫度存在一個溫度梯度，當試樣徑向尺寸較大時溫度相差很大，難以反映試樣焊接時的真實情況；此外，實際焊接過程中開裂初期會有其他液相進行填補，而模擬時無液相進行填補，因此只能用于各材料之間基礎性能對比研究，無法反映實際焊接情況，對于兩種狀態下液化裂紋敏感性結果是否具有一致性還需進一步研究。

使用熱延性試驗評價時，重點是如何準確獲得NST、NDT、DRT數據。LCTR是NST與DRT的差值，其中NDT的試驗溫度是根據NST值來確定的，且DRT的試驗溫度是加熱到NST與NDT之間，因此NST的結果尤為重要。大量研究結果表明，不同材料、不同研究者確定NST的試驗程序差異較大，例如試樣尺寸、拉伸載荷大小、拐點溫度、升溫速率等參數目前無詳細規定，且難以控制，需要研究人員進行大量試驗對比摸索、不斷優化。

2.2 程控平板拉伸試驗（PVR試驗）

程控平板拉伸試驗（Programmierter Verformungs test，PVR）是根據Prokhorov熱裂理論［29］發展來的。其過程是采用單個平面拉伸試樣，在可編程的水平拉伸試驗機上進行拉伸，只需單一試樣（300 mm×40 mm×10 mm）就可確定母材或焊縫金屬的液化裂紋敏感性。該試驗與縱向可調拘束試驗存在根本的不同，PVR試驗拉伸速率是線性增加的，而縱向可調拘束試驗是通過彎曲瞬時加載施加的。此方法以第一條液化裂紋出現的臨界拉伸速率Vcrit作為液化裂紋敏感性判據，Vcrit與材料的臨界應變速率具有相關性，Vcrit越大測試材料對發生液化裂紋的阻力越大，所測樣品的抗裂性越好。程控平板拉伸試驗如圖7所示［30-31］，臨界拉伸速度Vcrit通過式（4）計算：

圖7 程控平板拉伸試驗示例［30］Fig.7 Program-controlled deformation crack test［30］

式中Vcrit為臨界拉伸速度；?為平板拉伸的加速度；L1stHC為第一條裂紋出現的距離；VW為焊接速度。

Fink等人［32］采用PVR試驗研究了奧氏體、雙相不銹鋼、AISI 304系列與鎳基合金焊縫的液化裂紋敏感性，結果表明應變和應變速率對液化裂紋形成具有顯著影響，并對材料進行了材料評級。

PVR試驗過程簡單，試驗設備專業性不高，能夠量化常規電弧焊工藝產生的液化裂紋敏感性；試驗重復性好，離散度小，當評價高敏感性材料，單次試驗即可清晰區分三種熱裂紋。但該試驗方法只適用于高延伸率的材料，這也限制了試驗適用范圍。

2.3 縱向可調拘束試驗

縱向可調拘束試驗（Varestraint Test）是20世紀60年代中期由美國學者Savage和Lundin等［33］開發的，利用反映實際焊接情況的程序來研究材料、焊接工藝以及拘束因素對熱裂行為的影響［34］。此方法可用來評價碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅合金、鋁合金等金屬的液化裂紋敏感性，其過程是將試板放在相關裝置上，焊接開始時沿焊縫縱向方向在模具周圍以規定彎曲速率進行彎曲達到預定的應變，縱向可調拘束試驗如圖8所示［35］。應變（ε）的大小取決于材料的厚度m和模塊半徑R，對應關系如式（5）所示。

圖8 縱向可調拘束示意［35］Fig.8 Schematic diagram of longitudinal adjustable restraint［35］

式中t為試樣厚度；R為模塊的曲率半徑，通過改變模塊半徑即可簡單地改變所增加的應變［36-37］。

縱向可調拘束試驗常使用最大裂紋長度MCL、液化裂紋溫度范圍ΔTc、裂紋總長度（Total Cracking Length，TCL）、最大裂紋距離（Maximum Crack Dis‐tance，MCD）等作為判據來評價材料液化裂紋敏感性。

縱向可調拘束試驗在焊接過程中利用彎曲有效誘導試樣表面區域產生液化裂紋，使評價得以可靠進行。但判據需要在相同條件下測試3個試樣來繪制應變曲線，所需試樣尺寸較大，數量較多；且由于可調拘束機參數不同造成試驗結果也不盡相同，沒有國際統一標準，因此在評價液化裂紋敏感性方面通用性較差。

2.4 點拘束試驗

點拘束試驗（Spot Varestaint Test）是Lin等［38］在可調拘束試驗基礎上為評價奧氏體不銹鋼液化裂紋敏感性發展的，與用于評價結晶裂紋的橫向可調拘束試驗不同，點拘束試驗使用固定點焊來產生穩定熱影響區。點拘束試驗如圖9所示。

圖9 點拘束示意［38］Fig.9 Schematic diagram of point restraint ［38］

通過繪制最大裂紋長度MCL與應變的關系圖，確定一個“飽和應變”，即增加應變MCL不發生變化的應變，在熔池里放入熱電偶就可獲得熱影響區溫度梯度，接著用MCL與溫度梯度GT相乘可獲得易發生液化開裂的溫度范圍，從而得到試樣易發生液化開裂的區域，即裂紋敏感區域（Thermal Crack-Susceptible Region，CSR），如圖10所示，A-286與310合金相比，其液化開裂溫度較寬，液化開裂CSR大。

圖10 點拘束測得的A-286與310合金CSR［38］Fig.10 CSR of A-286 and 310 alloys measured by point restraint［38］

西本和俊、才田一幸和Saida［39-41］等人使用點拘束試驗測試690合金及7種類型的HP改性合金的熱裂紋敏感性，結果發現，與鑄態相比，HP43AZ以外的合金在時效和使用條件下的延展性開裂敏感性顯著增加，而在長期時效期間液化開裂敏感性沒有太大變化。Chang與 Divya等人［42-43］使用點拘束試驗評價690合金、鋁合金焊接液化裂紋敏感性，結果表明裂紋數量隨著增強應變的增加而增加。

該方法可以確定裂紋發生的精確溫度范圍，更易于測量材料之間的熱影響區液化開裂敏感性，主要用于奧氏體不銹鋼，也適用于鎳基合金［44］。

2.5 小結

熱延性試驗可評價母材液化裂紋與焊縫液化裂紋敏感性，使用試樣尺寸較小，對材料無要求，但由于是物理模擬，很大程度上不能反映出真實焊接過程；PVR試驗檢測效率較高，多用于評價焊縫液化裂紋，但只適用于高延伸率的材料；縱向可調拘束試驗所需試樣尺寸較大，且試驗結果受可調拘束機的參數影響，沒有統一標準；點拘束試驗使用材料較少，試驗程序簡單，多用于評價奧氏體不銹鋼與鎳基合金液化裂紋敏感性。

3 敏感性判據

國內外學者提出了幾種液化裂紋判據模型，包括非力學模型與力學模型。非力學模型包括敏感溫度范圍、熱塑性曲線以及相圖等；力學模型包括應力、應變、應變速率及其對應的各個裂紋長度等。

3.1 溫度范圍判據

溫度范圍是評價液化裂紋敏感性最常用的判據。JOEL ANDERSSON等［45］提到熱延性試驗常使用脆性溫度區間BTR，可調拘束常用零延性溫度（Zero Ductility Temperature，ZDT）與液化裂紋溫度范圍 ΔTc。Caron［25］評價船用高強鋼使用的液化裂紋敏感溫度區間LCTR，林等［46］評價2195合金使用的NST-DRT（NST），K.?yczkowska等［47］評價713合金使用的高溫脆性范圍（High Temperature Brittleness Range，HTBR）HTBR=NST-DRT，SHI S等［48-49］評價耐熱不銹鋼使用的NST-DRT（TP）與零延性溫度ZDT，Srinivasan M G等［50-51］評價硼化不銹鋼與Xin‐qiang W［52］評價高氮不銹鋼使用的零延性范圍（Nil Ductility Range，NDR）NDR=NST-DRT都是同一種判據，屬于溫度范圍判據。

溫度范圍判據衍生出來的還有比例判據。如常鳳華［28］等評價316不銹鋼使用的塑性恢復速率RDR，Ganesan Srinivasan評價高氮不銹鋼使用的裂紋指數CF=（NST-DRT）/NDT×100%，?yczkowska K評價713合金使用的裂紋指數Rf=（TL-NDT）/NDT，常用判據示意如圖11所示。分析認為這些溫度范圍參數（BTR、DRR和RDR）均與晶界液化的形成有關，BTR和RDR參數反映了某一溫度范圍內的熱延性響應，且溫度范圍越大，裂紋指數越高，材料液化裂紋敏感性越高。在其他的研究中也證實了使用溫度區間作為液化裂紋敏感性判據的可靠性［53-54］。

圖11 液化裂紋敏感性溫度區間判據Fig.11 Schematic diagram of temperature range criterion for lique‐faction crack susceptibility

3.2 裂紋長度判據

裂紋長度判據是指熱影響區和熔合區內產生的裂紋。最大裂紋長度MCL或最大裂紋距離MCD與脆性溫度范圍（BTR）有著良好的對應性，因此也常作為液化裂紋敏感性判據，如圖12所示。

圖12 液化裂紋敏感性裂紋判據示意［38］Fig.12 Schematic diagram of liquefaction crack sensitive crack criterion［38］

Statharas D 等［55］、路文江等［56］、鄒茉蓮等［57］、Dupont J等［58］以及潘永明等［59］分別使用縱向可調拘束試驗評價了高強鋁合金、鎳基合金、API-5L等材料的液化裂紋敏感性，試驗結束后觀測試樣表面，使用最大裂紋長度MCL進行評價；也有研究者使用液化裂紋溫度范圍ΔTc、脆性溫度區間BTR、裂紋總長度TCL、最大裂紋距離MCD、臨界應變量ε等作為判據來評價裂紋敏感性，經對比發現裂紋長度判據中MCL與TCL多作為液化裂紋敏感性判據。

3.3 其他判據

除溫度范圍和裂紋長度，還有應力、應變、應變速率等參數也可作為評價液化裂紋敏感性的判據。

Eskin D G［60］等提出的應力解析模型可定量分析熱應力與液化裂紋敏感性的關系，認為應變速率對液化裂紋的萌生和擴展起著相對直接的作用，數值越高，抗裂性能越好。如PVR試驗的Vcrit判據，Vcrit越大，試驗材料對熱裂紋發生的阻力越大，說明所試驗樣品的抗裂性越好；縱向可調拘束試驗使用的臨界應變量、臨界應變速率以及臨界應變增長速率（Critical strain rate for Temperature drop，CST）也可以評價其液化裂紋敏感性。其中CST對應于引起開裂所需增大應變的最小值，隨著應變增大在此飽和應變上最大裂紋長度保持不變［61］。

還有一些針對特定材料的評價方法，如橫向拘束環形焊縫裂紋試驗，用來評價鎂合金焊縫液化裂紋敏感性，其判據基于利用熱力學計算軟件獲得T-fs曲線判斷母材與焊縫強化的先后順序來評價液化裂紋率［62-63］。

各個判據間并非孤立不相通的，如縱向可調拘束試驗方法中的溫度范圍判據與裂紋長度判據，通過更換曲率模塊，不斷增加外加應變量ε，Lmax也隨之增長，但ε增大到某一數值后，Lmax就基本上趨于一個定值，此時Lmax所對應的溫度區間即為材料產生熱裂紋的脆性溫度區間BTR。

3.4 小結

不同試驗方法對應的判據有所差異，熱延性試驗多用溫度范圍判據，縱向可調拘束試驗傾向于使用裂紋長度判據，特定材料也有其特定的方法和判據。溫度范圍判據可較好地反映不同材料間液化裂紋敏感性高低，但其確定程序較為繁瑣，需要大量研究來確定詳細的試驗參數；裂紋長度判據也能較好地反映材料的液化裂紋敏感性，但一些裂紋可能存在于材料內部特別是焊根區，總裂紋長度能否真實快速反應液化裂紋敏感性還有待證實。

4 結論

（1）自約束試驗相對簡單，無需專門的試驗設備，其結果多是定性的。但為了評估焊接工作參數的影響，需要進行大量的測試，耗時又昂貴，不適合在實驗室中研究關鍵變量對材料液化裂紋敏感性的影響。

（2）外載荷試驗可定量評價材料液化裂紋敏感性，需要專門的設備和程序，各方法之間無法直接進行比較，可重復性很差。在prEN/ISO和GOST標準描述的試驗中，較為標準的是熱延性試驗與PVR試驗，試驗材料較少、可重復性高，且相對簡單，有利于未來發展有限元模擬手段來評價材料液化裂紋敏感性。

（3）液化裂紋是在高溫下塑性降低的結果，溫度范圍和裂紋長度可作為評價液化裂紋敏感性的判據。由于實際開裂機制的復雜性，個別試驗的多樣性，以及單一形式標準化的困難性，對于不同試驗間判據的準確關聯未來還需要進一步研究，這將為液化裂紋評價試驗方法和敏感性判據相關的通用標準奠定基礎。