热处理后莫名开裂？一文说清焊接再热裂纹的隐蔽陷阱｜科到了第22期

热处理后莫名开裂？

一文说清焊接再热裂纹的隐蔽陷阱

某些含有沉淀强化元素（Al、Ti、Nb）的高强钢和高温合金（包括低合金高强钢、珠光体耐热钢、沉淀强化型高温合金及部分奥氏体不锈钢），焊后未出现裂纹，但在热处理过程中产生裂纹，称为消除应力处理裂纹（SR裂纹，Stress Relief Cracking）。部分焊接结构在高温（如500～600℃）长期服役时亦会产生裂纹。工程中将上述两种情况下产生的裂纹（消除应力处理过程与服役过程）统称为再热裂纹（Reheating Crack）。

（1）仅发生于含沉淀强化元素的金属焊件中，碳素钢及固溶强化型金属材料通常不产生再热裂纹。

（2）存在敏感温度区间，具体范围与再热温度及时间相关。低合金钢敏感区间约为500～700℃，奥氏体不锈钢及高温合金钢则为700～900℃。

（3）集中于热影响区粗晶区的晶界，沿熔合线母材侧奥氏体粗晶晶界扩展，呈晶间开裂特征。

（4）焊接区需存在较大残余应力且存在应力集中。

（1）碳化物形成元素（Cr、Mo、V、Ti、Nb）含量影响显著，如珠光体耐热钢中V元素会大幅增加SR裂纹敏感性。

（2）加热速度与时间影响，不同钢种敏感温度范围各异。

（3）晶粒度影响显著，晶粒越粗大，再热裂纹倾向越高。

（4）焊接方法差异：大的热输入焊接易致晶粒粗化，在对晶粒长大敏感的钢种中，埋弧焊再热裂纹倾向高于焊条电弧焊；而淬硬倾向大钢种则反之。

（1）选用低强度匹配焊接材料；

（2）采用预热或后热控制冷却速度；

（3）避开敏感温度区间或缩短其停留时间；

（4）降低残余应力，避免应力集中；

（5）特定合金（如设计温度≥538℃的Incoloy 800HT）需焊后稳定化热处理；

（6）有再热裂纹倾向材料应在热处理后增加无损检测。

15MnVR、15MnNbR、18MnMoNbR、13MnMoNbR、07MnCrMoVR、07MnNiMoVDR、17Cr1Mo1V及日本CF-62钢。

注：再热裂纹产生于热处理或服役过程，具隐蔽性，易引发突发事故。压力容器设计、制造及检测环节需预先评估再热裂纹风险，制定防控方案。

再热裂纹由焊后再次加热（如消除应力热处理）引发，钢中Cr、Mo、V、Nb、Ti等元素加剧其倾向。SR裂纹（消除应力处理裂纹）亦称应力松弛开裂（Stress Relaxation Cracking）。

再热裂纹源于晶界优先滑动导致的微裂纹形核，焊后热处理中晶界弱化而晶内强化。机理争议集中于两类学说：

（1）晶界弱化学说

杂质元素（如P、S）在晶界偏析致脆，Cr、Mo、V、Nb等元素的碳/氮化物在二次加热时于晶内析出强化，应力松弛变形集中于晶界，塑性不足时引发裂纹。

（2）晶内强化学说（模形开裂理论）

强化相（碳化铬、钒、钛、铌等）在位错区弥散析出，阻碍晶内变形，应力松弛由晶界承担，应力集中导致裂纹。

（3）蠕变断裂理论

应力松弛过程中伴随蠕变损伤累积，加速晶界开裂。

影响再热裂纹的主要因素是钢种的化学成分（直接影响粗晶区的塑性）和焊接区的残余应力（特别是应力集中部位）。可根据钢种的化学成分判据式对再热裂纹敏感性进行评价。

△G＝Cr＋3.3Mo＋8.1V＋10C－2

当△G＜1.5时，对再热裂纹不敏感；

当1.5＜△G＜2时，一般；

当△G＞2时，对再热裂纹敏感。

刘总观点：受拘束的焊接接头在焊后热处理或高温服役时，其热影响区会发生‘再热裂纹’（亦称‘应力松弛裂纹’）。历史上，再热裂纹最早由电站工业在奥氏体不锈钢中发现。冶金学研究证实，此类裂纹与晶内析出物密切相关。本质上，晶内析出强化了晶粒内部，迫使应力松弛所需的应变转移至晶界，最终降低蠕变延性并引发晶界破坏。此类开裂模式仍存在诸多未解问题，尤其是影响其产生的组织与成分因素尚未完全明确。

束总观点：晶内析出强化仅解释了部分成因。晶粒过度粗大亦会导致蠕变延性劣化及晶界析出物聚集。此外，焊缝收缩、粗晶阻碍晶界滑移、材料厚度增加以及野蛮焊接工艺等因素均会加剧裂纹倾向。

（陈祝年.《焊接工程师手册》2002年版，第198页）

再热裂纹的两种类型：

1）焊后并未开裂，而在焊后消除应力的热处理过程中才出现裂纹，这种裂纹又称消除应力处理裂纹，简称SR裂纹（Stress Relaxation Cracking Susceptibility应力松驰开裂敏感性）。

2）焊后没有裂纹，而在一定温度下长期服役才产生的裂纹。

再热裂纹的特点：

1）仅在含有一定沉淀强化元素（Ti,Al）的金属焊件中产生。

2）只发生在某一温度区间，再热裂纹与再热温度和再热时间有关，存在一个再热开裂的敏感温度区间。对于一般的低合金钢，温度区间约为500~700℃之间；对奥氏体不锈钢和一些高温合金钢在700~900℃之间。

3）只发生在热影响区粗晶区的晶界上。裂纹走向是沿熔合线母材侧的奥氏体粗晶晶界扩展，呈晶间开裂。

4）在焊接区必须同时存在有残余应力和不同程度的应力集中。

再热裂纹的形成机理是晶界杂质析集的弱化作用和晶内沉淀的强化作用。