,材料成型工程综合试验,
第四章 焊件失效分析试验
沈阳工业大学材料成型及控制工程专业
第一节 焊件失效分析的概念 ﹑ 目的和意义
一、焊件失效分析的概念
? 焊件失效：在焊接产品的零部件组装焊接过程中，
由于产生裂纹、气孔、夹杂等缺陷，或者产生变形，
或者接头产生严重脆化而使焊件丧失规定功能的质量
事故。
? 焊件失效分析：针对焊件失效，在分析失效现场资
料和背景资料的基础上，通过一系列的物理化学试验，
获得大量反映失效物理过程的信息，然后对这些信息
通过由表及里、由此及彼、去粗取精、去伪存真的综
合分析，找出失效的原因，并采取相应的措施消除隐
患，从而保证焊件质量的技术工作。
二、焊件失效分析的目的
找出焊件失效的原因，制定有效的解决措施,防
止类似的事故再次发生。
三、焊件失效分析的意义
1、保证焊接产品的生产过程正常运转，从而保证焊接
产品的质量。
2、促进焊接技术不断提高。
第二节 焊件失效的种类和特征
一、焊接接头脆化引起的失效
焊接接头脆化能导致焊件开裂或断裂。
使接头产生脆化的原因有：
晶粒严重长大 ——“粗晶脆化,
产生脆化组织 ——“组织脆化,
析出碳化物，氮化物等 ——“析出脆化,
析出石墨 ——“石墨脆化,
产生热应变时效 ——“热应变时效脆化,
特征：
1、产生破坏时，接头承受的应力远远小于设计应力。
2、破坏在突然之间发生。
3、呈现脆化断口：
（ 1）解理（ CF）断口
特征 平坦型解理台阶 （ 图 1）
河流花样 （ 图 2）
舌形花样 （ 图 3）
扇形花样 （ 图 4）
（ 2）准解理（ QC）断口 （ 图 5）
特征：河流花样短而弯曲，支流少，
解理面小，且周围有较多的撕裂棱。
（ 3）沿晶（ IC）断口
特征：宏观：表面平齐，呈白亮色颗粒状。
微观：呈晶粒状的多面体，冰糖状。（ 图 6）
[典型的延性断口 ]：
宏观：纤维状，颜色发暗；
微观：韧窝（ DR）断口。（ 图 7）
韧窝特征：断口布满大小不等的圆形或椭圆形的凹
坑，凹坑中常有夹杂物或第二相粒子。
二、焊接裂纹引起的失效
1、热裂纹
结晶裂纹是最常见的热裂纹。
特征：
（ 1）产生的温度：上限稍高于焊缝名义固相线；
下限略低于焊缝名义固相线。
（ 2）产生的部位：只产生在焊缝。
（ 3）化学成分特点：焊缝中 S,P、或 Ni等元素较多。
（ 4）金相特征：沿一次结晶组织的晶界分布。（ 图 8）
（ 5）断口特征：宏观：有明显的氧化色彩；
微观：为沿晶液膜分离断口。（ 图 9）
2、冷裂纹
延迟裂纹是最常见的冷裂纹。
特征：
（ 1）产生的温度：通常在 Ms点以下。
（ 2）产生的钢种：低、中合金钢，中、高碳钢。
（ 3）产生的部位：主要产生在 HAZ：如焊趾、焊根、
焊道下。（ 图 10）
（ 4）产生的时间：几乎都延迟一段时间。
（ 5）金相特征：产生部位有淬硬组织；
裂纹走向既有沿晶，又有穿晶。
（ 6）断口特征：对于低合金钢，启裂处和扩展处：
为准解理，或沿晶，或两者混合断口；终断区：多为
韧窝断口。
以 14MnMoNbB为例（图 11）
3、再热裂纹
特征：
（ 1）产生的时间：焊后不产生，在焊后热处理或高温加
热过程中产生。
（ 2）产生的温度：对于低合金钢、耐热钢，敏感再加热
温度为 500～ 700℃ 。
（ 3）产生的钢种：含有 Cr,Mo,V,Ti,Nb的低合金钢
和含有 Nb的奥氏体不锈钢。
（ 4）产生的部位,HAZ的过热区，走向大体与熔合线平
行。（ 图 12）
（ 5）应力特征：焊后焊接接头存在较大的残余应力或应
力集中。
（ 6）金相特征：都是沿晶界分布。（ 图 13）
（ 7）断口特征：几乎都是冰糖状的沿晶断口。（ 图 14）
4、层状撕裂
特征：
（ 1）产生的部位,HAZ或靠近接头的母材。
（ 2）产生的钢种：不受钢种限制，主要与钢材中有带
状分布的硫化物、硅酸盐夹杂物等有关。
（ 3）结构和接头特征：易在厚板结构和 T型、十字型或
角接接头中产生。（ 图 15）
（ 4）应力特征：有 Z向拉伸应力作用。
（ 5）金相特征：宏观：多呈阶梯状分布；（ 图 16）
微观：裂纹走向既有穿晶也有沿晶。
（ 6）断口特征：宏观：呈木纹状；（ 图 17）
微观：平台处多为准解理断口，可见
到片状、条状或球状夹杂物；剪切壁处多为剪切韧窝断口，
也会出现准解理断口。 （ 图 18）
三、焊接气孔引起的失效
主要可分为两大类气孔：
第一类气孔：主要有氢气孔、氮气孔。
特征：大多数分布在焊缝表面。
氢气孔较分散，断面呈螺钉状；（ 图 19）
氮气孔一般是成堆出现。
第二类气孔：主要有 CO气孔。
特征：大多数分布在焊接内部，沿一次结晶组
织的晶界分布，呈条虫状。（ 图 20）
四、焊接夹杂引起的失效
主要有三类夹杂物：
1、氧化物夹杂
如 SiO2,MnO,FeO,TiO2等，一般多以硅酸盐的形
式存在，呈圆球形或点粒状。（ 图 21）
2、氮化物夹杂
主要是 Fe4N,一般以针状分布在晶粒上或贯穿边界。
（ 图 22）
3、硫化物夹杂
主要是 FeS,MnS，在焊缝中多呈球状。 MnS呈灰
色，当 MnS内溶解 FeS时颜色会变淡。
五、焊接变形引起的失效
主要有以下几种,
1、纵向收缩变形 （ 动画 25）
2、横向变形收缩
3、挠曲变形 （ 动画 26）
4、角变形 （ 动画 27）
5、波浪变形 （ 动画 28）
6、螺旋变形 （ 动画 29）
7、错边变形 （ 动画 30）
第三节 焊件失效分析的基本思路和程序
一 基本思路
（一）根据失效的背景资料和现场情况初步确定失效类型。
（二）选择试验项目进行检验。
二 分析程序
（一 ） 调查研究、收集资料
1 调查失效现场
2 调查失效背景
（二 ） 选取试样
（三） 失效分析实验
1 化学分析试验：包括体积成分分析和微区成分分析试验。
2 宏观分析试验：包括宏观金相分析和宏观断口分析试验。
3 微观分析试验：包括微观金相分析和微观断口分析试验。
4 材料性能试验。
5 模拟试验。
（四 ） 作出结论、制定措施。
第四节 焊件失效分析试验的方法
一、化学分析试验
1、体积成分分析试验
目的：了解焊缝或母材成分是否符合要求。
（ 1）化学分析法
取样：用电钻取样（ 图 31）
分析：利用仪器通过化学分析进行测定。
（ 2）物理分析法
有光谱法、磁法、热电法等。这些方法都需要精
密仪器，具有快速、灵敏的特点。
例如，吸收光谱仪。 （ 图 32）
2、微区成分分析试验
目的：测定夹杂物、第二相、晶界等微小范围的
元素含量或分布。
测试仪器有：电子探针、离子探针、俄歇电子谱
仪等。
二、金相分析试验
1 宏观金相分析试验
首先对试样进行磨光、抛光和浸蚀，然后用 50
倍以下的放大镜或光学显微镜进行观察。
目的：观察失效形态的全貌。
2 微观金相分析试验
用 50倍以上的光学显微镜进行观察。
目的：分析失效局部的组织、显微缺陷等。
三 断口分析试验
1、宏观断口分析试验
用肉眼或放大镜（ 50倍以下）对试样的断口直
接进行观察。
目的：观察断口的全貌，判断断裂的性质，确
定裂纹源的位置以及判断裂纹的扩展方向等。例如：
2、微观断口分析试验
在扫描电子显微镜或透射电子显微镜下观察。
目的：对断口表面作更深入、更细致的观察，
进一步确认断裂的性质。
四、材料性能试验
包括力学性能试验、焊接裂纹敏感性试验等。
目的：复验材料的某项性能是否符合要求。
例如：由于材料层状撕裂的敏感性与其 Z向拉伸
抗力有关，因此常进行材料的 Z向拉伸试验，通过测定
Z向断面收缩率来判断层状撕裂的敏感性：
当 ψ z>25% 时，抗层状撕裂性能优异；
当 ψ z=15～ 25% 时，抗层状撕裂性能一般；
当 ψ z<15% 时，抗层状撕裂性能低劣。
五、模拟试验
模拟失效焊件的结构特点和破坏条件（有时需
适当强化），精心设计一个结构，看能否重现原有的
失效。
目的：验证用上述方法得出的结论是否正确。
第五节 焊件失效分析试验工程应用实例
——大型试验结构制造时产生的裂纹失效分析试验 (自学 )
第四章 焊件失效分析试验
沈阳工业大学材料成型及控制工程专业
第一节 焊件失效分析的概念 ﹑ 目的和意义
一、焊件失效分析的概念
? 焊件失效：在焊接产品的零部件组装焊接过程中，
由于产生裂纹、气孔、夹杂等缺陷，或者产生变形，
或者接头产生严重脆化而使焊件丧失规定功能的质量
事故。
? 焊件失效分析：针对焊件失效，在分析失效现场资
料和背景资料的基础上，通过一系列的物理化学试验，
获得大量反映失效物理过程的信息，然后对这些信息
通过由表及里、由此及彼、去粗取精、去伪存真的综
合分析，找出失效的原因，并采取相应的措施消除隐
患，从而保证焊件质量的技术工作。
二、焊件失效分析的目的
找出焊件失效的原因，制定有效的解决措施,防
止类似的事故再次发生。
三、焊件失效分析的意义
1、保证焊接产品的生产过程正常运转，从而保证焊接
产品的质量。
2、促进焊接技术不断提高。
第二节 焊件失效的种类和特征
一、焊接接头脆化引起的失效
焊接接头脆化能导致焊件开裂或断裂。
使接头产生脆化的原因有：
晶粒严重长大 ——“粗晶脆化,
产生脆化组织 ——“组织脆化,
析出碳化物，氮化物等 ——“析出脆化,
析出石墨 ——“石墨脆化,
产生热应变时效 ——“热应变时效脆化,
特征：
1、产生破坏时，接头承受的应力远远小于设计应力。
2、破坏在突然之间发生。
3、呈现脆化断口：
（ 1）解理（ CF）断口
特征 平坦型解理台阶 （ 图 1）
河流花样 （ 图 2）
舌形花样 （ 图 3）
扇形花样 （ 图 4）
（ 2）准解理（ QC）断口 （ 图 5）
特征：河流花样短而弯曲，支流少，
解理面小，且周围有较多的撕裂棱。
（ 3）沿晶（ IC）断口
特征：宏观：表面平齐，呈白亮色颗粒状。
微观：呈晶粒状的多面体，冰糖状。（ 图 6）
[典型的延性断口 ]：
宏观：纤维状，颜色发暗；
微观：韧窝（ DR）断口。（ 图 7）
韧窝特征：断口布满大小不等的圆形或椭圆形的凹
坑，凹坑中常有夹杂物或第二相粒子。
二、焊接裂纹引起的失效
1、热裂纹
结晶裂纹是最常见的热裂纹。
特征：
（ 1）产生的温度：上限稍高于焊缝名义固相线；
下限略低于焊缝名义固相线。
（ 2）产生的部位：只产生在焊缝。
（ 3）化学成分特点：焊缝中 S,P、或 Ni等元素较多。
（ 4）金相特征：沿一次结晶组织的晶界分布。（ 图 8）
（ 5）断口特征：宏观：有明显的氧化色彩；
微观：为沿晶液膜分离断口。（ 图 9）
2、冷裂纹
延迟裂纹是最常见的冷裂纹。
特征：
（ 1）产生的温度：通常在 Ms点以下。
（ 2）产生的钢种：低、中合金钢，中、高碳钢。
（ 3）产生的部位：主要产生在 HAZ：如焊趾、焊根、
焊道下。（ 图 10）
（ 4）产生的时间：几乎都延迟一段时间。
（ 5）金相特征：产生部位有淬硬组织；
裂纹走向既有沿晶，又有穿晶。
（ 6）断口特征：对于低合金钢，启裂处和扩展处：
为准解理，或沿晶，或两者混合断口；终断区：多为
韧窝断口。
以 14MnMoNbB为例（图 11）
3、再热裂纹
特征：
（ 1）产生的时间：焊后不产生，在焊后热处理或高温加
热过程中产生。
（ 2）产生的温度：对于低合金钢、耐热钢，敏感再加热
温度为 500～ 700℃ 。
（ 3）产生的钢种：含有 Cr,Mo,V,Ti,Nb的低合金钢
和含有 Nb的奥氏体不锈钢。
（ 4）产生的部位,HAZ的过热区，走向大体与熔合线平
行。（ 图 12）
（ 5）应力特征：焊后焊接接头存在较大的残余应力或应
力集中。
（ 6）金相特征：都是沿晶界分布。（ 图 13）
（ 7）断口特征：几乎都是冰糖状的沿晶断口。（ 图 14）
4、层状撕裂
特征：
（ 1）产生的部位,HAZ或靠近接头的母材。
（ 2）产生的钢种：不受钢种限制，主要与钢材中有带
状分布的硫化物、硅酸盐夹杂物等有关。
（ 3）结构和接头特征：易在厚板结构和 T型、十字型或
角接接头中产生。（ 图 15）
（ 4）应力特征：有 Z向拉伸应力作用。
（ 5）金相特征：宏观：多呈阶梯状分布；（ 图 16）
微观：裂纹走向既有穿晶也有沿晶。
（ 6）断口特征：宏观：呈木纹状；（ 图 17）
微观：平台处多为准解理断口，可见
到片状、条状或球状夹杂物；剪切壁处多为剪切韧窝断口，
也会出现准解理断口。 （ 图 18）
三、焊接气孔引起的失效
主要可分为两大类气孔：
第一类气孔：主要有氢气孔、氮气孔。
特征：大多数分布在焊缝表面。
氢气孔较分散，断面呈螺钉状；（ 图 19）
氮气孔一般是成堆出现。
第二类气孔：主要有 CO气孔。
特征：大多数分布在焊接内部，沿一次结晶组
织的晶界分布，呈条虫状。（ 图 20）
四、焊接夹杂引起的失效
主要有三类夹杂物：
1、氧化物夹杂
如 SiO2,MnO,FeO,TiO2等，一般多以硅酸盐的形
式存在，呈圆球形或点粒状。（ 图 21）
2、氮化物夹杂
主要是 Fe4N,一般以针状分布在晶粒上或贯穿边界。
（ 图 22）
3、硫化物夹杂
主要是 FeS,MnS，在焊缝中多呈球状。 MnS呈灰
色，当 MnS内溶解 FeS时颜色会变淡。
五、焊接变形引起的失效
主要有以下几种,
1、纵向收缩变形 （ 动画 25）
2、横向变形收缩
3、挠曲变形 （ 动画 26）
4、角变形 （ 动画 27）
5、波浪变形 （ 动画 28）
6、螺旋变形 （ 动画 29）
7、错边变形 （ 动画 30）
第三节 焊件失效分析的基本思路和程序
一 基本思路
（一）根据失效的背景资料和现场情况初步确定失效类型。
（二）选择试验项目进行检验。
二 分析程序
（一 ） 调查研究、收集资料
1 调查失效现场
2 调查失效背景
（二 ） 选取试样
（三） 失效分析实验
1 化学分析试验：包括体积成分分析和微区成分分析试验。
2 宏观分析试验：包括宏观金相分析和宏观断口分析试验。
3 微观分析试验：包括微观金相分析和微观断口分析试验。
4 材料性能试验。
5 模拟试验。
（四 ） 作出结论、制定措施。
第四节 焊件失效分析试验的方法
一、化学分析试验
1、体积成分分析试验
目的：了解焊缝或母材成分是否符合要求。
（ 1）化学分析法
取样：用电钻取样（ 图 31）
分析：利用仪器通过化学分析进行测定。
（ 2）物理分析法
有光谱法、磁法、热电法等。这些方法都需要精
密仪器，具有快速、灵敏的特点。
例如，吸收光谱仪。 （ 图 32）
2、微区成分分析试验
目的：测定夹杂物、第二相、晶界等微小范围的
元素含量或分布。
测试仪器有：电子探针、离子探针、俄歇电子谱
仪等。
二、金相分析试验
1 宏观金相分析试验
首先对试样进行磨光、抛光和浸蚀，然后用 50
倍以下的放大镜或光学显微镜进行观察。
目的：观察失效形态的全貌。
2 微观金相分析试验
用 50倍以上的光学显微镜进行观察。
目的：分析失效局部的组织、显微缺陷等。
三 断口分析试验
1、宏观断口分析试验
用肉眼或放大镜（ 50倍以下）对试样的断口直
接进行观察。
目的：观察断口的全貌，判断断裂的性质，确
定裂纹源的位置以及判断裂纹的扩展方向等。例如：
2、微观断口分析试验
在扫描电子显微镜或透射电子显微镜下观察。
目的：对断口表面作更深入、更细致的观察，
进一步确认断裂的性质。
四、材料性能试验
包括力学性能试验、焊接裂纹敏感性试验等。
目的：复验材料的某项性能是否符合要求。
例如：由于材料层状撕裂的敏感性与其 Z向拉伸
抗力有关，因此常进行材料的 Z向拉伸试验，通过测定
Z向断面收缩率来判断层状撕裂的敏感性：
当 ψ z>25% 时，抗层状撕裂性能优异；
当 ψ z=15～ 25% 时，抗层状撕裂性能一般；
当 ψ z<15% 时，抗层状撕裂性能低劣。
五、模拟试验
模拟失效焊件的结构特点和破坏条件（有时需
适当强化），精心设计一个结构，看能否重现原有的
失效。
目的：验证用上述方法得出的结论是否正确。
第五节 焊件失效分析试验工程应用实例
——大型试验结构制造时产生的裂纹失效分析试验 (自学 )
