低合金耐熱鋼焊接接頭再熱裂紋研究進展

綜述了低合金耐熱鋼焊接接頭再熱裂紋的研究現狀，概括了近幾年工程中發現的新情況，並提出了需要進一步研究的問題。再熱裂紋產生於接頭焊後熱處理(Postweld Heat Treatment，PWHT)過程中或高溫運行中，其形成機理主要有四種：晶界雜質偏析弱化、晶內沉澱強化、蠕變斷裂和無析出區弱化。影響再熱裂紋產生的主要因素有材料成分、接頭組織形態和壁厚、填充材料、預熱和後熱、焊接熱輸入、焊後熱處理工藝、應力和應變等。為了評價再熱裂紋敏感性，研究人員提出了理論計算方法、斷面收縮率評定準則和幾種試驗方法。針對目前工程中出現的新問題，認為需要在新型耐熱鋼、厚壁耐熱鋼和長時運行耐熱鋼再熱裂紋的機理與影響因素預防等方面繼續進行研究。

低合金耐熱鋼是在碳鋼的基礎上加入Cr，Mo，V，Nb，Ti，B，W等合金元素而成。得益於Prompor，Grun，Parker等人對合金元素對鋼高溫強度影響的系統研究，20世紀30年代，低合金Mo鋼、Cr-Mo鋼、Cr-Mo-V鋼等相繼被開發出來，並被用之於鍋爐、蒸汽輪機和化工裝置。

20世紀60年代，中國研製的鋼102(12Cr2MoWVTiB)和Π11(12Cr3MoVSiTiB)，使電站鍋爐高溫過熱器與高溫再熱器使用壁溫提高到600～620℃[2-3]。借鑑於鋼102的設計思想，20世紀90年代日本住友公司在T22鋼的基礎上通過降C、減Mo、加W，同時添加少量V，Nb，N，B等元素，得到了T/P23鋼(HCM2S)，V&M公司則在陳忠兵T22基礎上減C，加V，Ti，B等元素，得到了T24鋼，這兩種鋼都可用於超(超)臨界鍋爐水冷壁的選材，也可用於壁溫≤600℃的過熱器管和再熱器管。

為了充分挖掘低合金耐熱鋼的性能並保證在役設備的安全，技術工作者對低合金耐熱鋼的特性進行了廣泛深入的研究，其焊接接頭再熱裂紋就是其中之一。含有Cr，Mo，V，Ti等沉澱強化元素的低合金耐熱鋼，焊後並不立即出現裂紋，反而在消除應力處理過程中出現裂紋，這種裂紋被稱為消除應力處理裂紋(Stress Relief Annealing Crack)，簡稱SR裂紋；

此外，有些鋼種焊接接頭在消除應力處理過程中不會產生裂紋，但在500～700℃下服役一定時間後產生裂紋。由於上述兩種裂紋都是焊件在一定溫度範圍內再次受熱而產生，因此都被稱為再熱裂紋(Reheat Crack)。再熱裂紋首先於20世紀50年代在鈮穩定化奧氏體不鏽鋼18Cr-12Ni-1Nb(AISI 347)的焊接接頭中被觀察到；60年代日本在HT80鋼石油化工容器的建造和Cr-Mo鋼高溫壓力容器的建造中也遇到了再熱裂紋問題；同期及隨後世界許多國家曾因再熱裂紋問題發生多起事故；國內鋼102再熱裂紋問題和導致的爆管，也一直被長期關注；近幾年國內外T23鋼在使用過程中暴露出的再熱裂紋敏感性，極大地限制了該鋼的使用。

為了克服焊接接頭再熱裂紋問題，國內外學者進行了長期研究，其成果對保障高溫設備的安全穩定運行、延長部件的使用壽命起到了積極作用。但隨著工業技術的進步，傳統耐熱鋼服役條件更為苛刻，新型耐熱鋼不斷應用，再熱裂紋方面也發現了一系列新的問題，傳統理論已不能全面解釋，傳統工藝已不能完全奏效。總結有關再熱裂紋的研究成果，審視近幾年再熱裂紋方面出現的問題，可以發現過去研究中的不足，明確現在的研究方向和內容，並為新問題的解決提供思路。

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1、再熱裂紋的形成機理

晶界優先滑動導致微裂形核、發生和擴展的再熱裂紋生成理論已被大量試驗所確證。也就是說，一定溫度下焊接接頭殘餘應力鬆弛過程中，應力集中區域的某些晶界塑性變形量εp超過了該部位的臨界塑性變形能力εc後，就會產生再熱裂紋。理論上再熱裂紋的產生條件可用下式表達：εp>εc (1)式中，εp為局部晶界的實際塑性變形量；εc為局部晶界的塑性變形能力。

上述的理論條件已被大家所公認，但對於影響局部晶界塑性變形量與變形能力的主要矛盾則存在不同的試驗依據，由此產生了不同的再熱裂紋形成機理，總結起來主要有以下四種。

1.1晶界雜質偏析弱化

該理論認為，再熱裂紋的形成與晶界本身的弱化有關。在500～600℃的受熱過程中，P，S，Sb，Sn，As等元素向晶界析集，使晶界的塑性變形能力εc大大降低。除了雜質元素，某些晶界上的析出物也能降低晶界的結合能和蠕變塑性，並為再熱裂紋的形核與擴展提供通道。

1.2晶內沉澱強化

焊接過程中，鋼中的Cr，Mo，V，Nb，Ti等的碳化物、氮化物因受一次焊接熱作用(>1 100℃)而固溶，在隨後的冷卻過程中，這些碳化物、氮化物不能充分析出，過飽和地留在固溶體內。二次受熱時，固溶的碳化物、氮化物在晶內析出，產生晶內強化，其結果使應力鬆弛所需要的塑性變形集中於晶界，增加了晶界的塑性變形量εp，若εp增加到大於晶界的塑性變形能力，就會產生再熱裂紋。析出物類型也會影響再熱裂紋敏感性，如文獻對CrMoV鋼在不同溫度下回火以析出不同類型的碳化物。結果發現，析出M2C相越多，再熱裂紋傾向越大；M7C3或M23C6增多，再熱裂紋傾向可顯著降低。

1.3 蠕變斷裂

該理論認為，在再熱過程中，應力的鬆弛伴隨有蠕變發生，所以可以用蠕變斷裂理論來解釋再熱裂紋的形成。適用於再熱溫度條件下的蠕變斷裂可有以下兩種開裂模型。

（1）應力集中條件下的楔型開裂模型

根據晶界粘滯性流動的觀點，認為在蠕變條件下，在發生應力鬆弛的三晶粒交界處產生應力集中，當該應力超過了晶界的結合強度時就會在此產生裂紋。文獻[17]在早期失效的T23鋼接頭中觀察到大量位於三叉晶界上的楔型蠕變裂紋，分析認為焊縫的高硬度是產生楔型蠕變裂紋的內因，接頭本身較高的應力水平是形成裂紋的力學條件，雖然該文獻認為該裂紋並不是嚴格意義上的再熱裂紋，但也認為它們存有共性。

（2）空位聚集開裂模型

點陣空位在應力和溫度作用下能夠發生運動，當空位聚集到與應力方向垂直的晶界上並達到足夠的數目時，晶界的結合面遭到破壞而產生空洞，在應力繼續作用下，空洞擴大而成為裂紋。文中筆者在分析長時運行CrMoV鋼焊縫金屬橫向再熱裂紋時，就發現了晶界上的孔洞、由孔洞聚集成的微裂紋和由微裂紋形成的宏觀裂紋，裂紋沿原始奧氏體晶界以串集的孔穴型開裂出現。文獻採用模擬焊接熱循環加熱試件的短期蠕變破斷試驗研究T23鋼的再熱裂紋機理，也發現其再熱裂紋是一種晶界孔洞聚集所致的蠕變開裂。1.4 無析出區弱化

文獻在研究T23鋼再熱裂紋機理時，提出了無析出區弱化機理。T23鋼在受熱過程中，晶內和晶間碳化物的析出引起錯配應力，同時通過Orwan機制引起晶內和晶界強化，導致無析出區形成和軟化。在消除應力的熱處理過程中,弱化的無析出區與硬化的晶內和晶界間產生一個強度梯度，結果使應變集中在弱化的無析出區，韌性下降直至發生開裂。

以上4種機理分別針對某個鋼種或某種合金系提出，故可能都存在一定的局限性，在解釋一些問題時存在不足。如晶內沉澱強化機理中，碳化物在強化晶內的同時也會強化晶界；沉澱強化效應明顯的Mn-Mo-Nb鋼反而比沉澱強化弱一些的Cr-Mo-V鋼具有更小的再熱裂紋敏感性；在高溫下蠕變脆性產生所需的時間相當長，有的要1 000 h以上，而實際的再熱裂紋發生時間只有數分鐘到數十分鐘。另外,對於具體某一鋼種而言,再熱裂紋形成的機理很可能並非是單一的，而是兩種或多種機理的聯合作用。

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2、再熱裂紋敏感性評價方法

2.1 理論計算方法

為了定量評價低合金鋼材料的再熱裂紋敏感性，研究人員在大量試驗的基礎上得到了多種經驗公式見表1。需要注意的是，這些經驗公式都是在一定條件下得到的，只有在其相應的條件下才可以使用；這些公式也未考慮元素間的相互作用，因此與實際再熱裂紋敏感性會有一定偏差。

2.2 RoA再熱裂紋敏感性評定準則

進行模擬焊接熱循環短期蠕變破斷試驗，將試樣分別加熱到不同溫度，保溫一定時間，然後以0.5 mm/min的應變速率直到拉斷，根據高溫斷裂時的塑性指標即斷面收縮率Z(Reduction of Area，RoA)來判斷材料再熱裂紋敏感性[32]：當Z<><><><><20%，稍敏感；當z>20%，不敏感。

表1低合金鋼再熱裂紋敏感性評價經驗公式

2.3再熱裂紋試驗方法

可以通過試驗方法，評定材料的再熱裂紋敏感性。可採用的試驗方法有：插銷再熱裂紋試驗，H型拘束試驗，斜y形坡口再熱裂紋試驗，BWRA管件環縫再熱裂紋試驗，MRT再熱裂紋試驗等。

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3 再熱裂紋影響因素

3.1 材料化學成分

（1）合金化元素

合金化元素對再熱裂紋的影響隨鋼種和合金的不同而不同。對於Cr-Mo類珠光體耐熱鋼，當Mo含量達1.0%、Cr含量達0.5%後，隨Cr含量繼續增加，再熱裂紋率反而下降。在鋼中含V時，再熱裂紋率顯著增加；在1Cr-0.5Mo鋼中，隨著V量增加，C的影響加大；V，Nb，Ti，Mo幾種元素由強到弱，V對再熱裂紋影響最大。文獻報導了Cr-Mo鋼中Cr，Mo的複合作用及P對Cr，Mo的複合作用的影響。Mo含量一定時，隨Cr含量增加，再熱裂紋敏感性升高，在達到最大值1.2%後，隨Cr含量增加再熱裂紋敏感性反而減小；Cr含量一定時，隨Mo含量增加，裂紋敏感性提高。文獻發現Ti對T23鋼再熱裂紋的影響明顯，將Ti控制在一定範圍可降低再熱裂紋敏感性。

（2）雜質元素

再熱裂紋的形成與雜質元素存在密切關係。鋼中雜質偏聚於晶界並使之弱化，增大再熱裂紋傾向，使再熱裂紋的敏感溫度區間顯著向左方移動。雜質元素中，影響最為顯著的是S，P，B等元素。

固溶的S能引起晶界空穴生長，晶界上再析出的MnS促使空洞形成；雜質元素晶界偏析引起晶界脆化，使晶界裂紋萌生的應力降低。Bikad D等人[35]研究MnMoNiCr鋼中S偏聚誘導的再熱裂紋現象時發現，S以擴散蠕變或擴散孔洞增長方式被迫聚集到孔洞或裂紋前沿的晶界處，如果應力足夠大，只要硫夾雜物達到臨界值，擴散區局部就可能形成再熱裂紋。Magula V等人在研究低合金鋼3Cr0.7Mo0.3V和2Cr0.6Mo0.1V1.2Ni時發現，材料的斷面收縮率與S含量呈正比關係，S的臨界含量為0.008%；P在鋼中發生偏聚，且偏聚行為受其它元素的影響。

B能增大鋼的再熱裂紋敏感性，且對再熱裂紋的作用總是與N相聯繫。Ishikawa S等人利用高純MnMoNiCr鋼研究了550℃時B對再熱裂紋的影響，提出以下假說：在不含B的鋼中，N的偏聚抑制了S在晶界的偏聚，因此它限制了裂紋尖端之後S在自由表面的含量，從而抑制了裂紋的擴展；而在含B鋼中，B和N的結合降低了N的偏聚，導致更多的S偏聚到晶界，增大了裂紋的擴展速率。

其它雜質元素也可能對再熱裂紋產生影響。Chauvy等人發現，在2讈讕Cr-1Mo-讈讕V鋼埋弧焊焊縫中產生的橫向再熱裂紋與焊縫中Pb，Bi，Sb含量有關，當Pb+ Bi+0.03Sb>1.5×10-6時，焊縫金屬對再熱裂紋敏感。這也解釋了即使同一牌號的鋼材，不同爐號，有時也會有不同的再熱裂紋敏感性。

3.2 組織形態

晶粒度影響再熱裂紋敏感性。粗晶區晶粒度越大，越易產生再熱裂紋。粗大的晶粒降低接頭的蠕變塑性，而當晶粒較小時，晶界所佔的面積相對大，在其它條件均相同的情況下，晶界所能承受的蠕變變形量也相對大，形成再熱裂紋的傾向相應減小。

同一種材料不同的組織，其再熱裂紋敏感性與敏感溫度區間也可能存在差異。文獻採用再熱裂紋插銷試驗研究兩種不同原始組織狀態12Cr1MoVG鋼再熱裂紋敏感性時發現，F組(組織為鐵素體+少量貝氏體)臨界斷裂初應力值整體高於B組(組織為貝氏體+少量鐵素體)，且F組再熱裂紋最敏感溫度為650℃，B組的為690℃。而根據SW-CCT圖，t8/3不同，12Cr1MoVG鋼的CGHAZ組織存在很大差異。

組織狀態也會對再熱裂紋的生成產生影響。文獻發現，未經PWHT的12Cr2MoWVTiB鋼接頭在運行中產生再熱裂紋，其粗晶區高淬硬狀態的板條馬氏體組織是促進裂紋產生的重要原因。HAZ的硬度雖非評價再熱裂紋敏感性的一種可靠方式，但它是接頭中預應變水平或位錯網絡回復程度的一個標識。HAZ的硬度越高，接頭中預應變水平越高或位錯網絡回復程度越低，因此形成再熱裂紋的傾向越大。

3.3 壁厚

接頭厚度增加，對接頭的冶金因素與力學因素都產生較大影響，從而對再熱裂紋的生成產生較大影響：

①材料的韌性降低，材料的臨界塑性變形能力降低；

②焊接層道數增加，HAZ應變增加；

③熱處理時溫度梯度增加，焊接接頭殘餘應力加大。

Griffiths等人調查發現，壁厚與接頭裂紋存在密切關係。文獻在壁厚96.9 mm的12Cr1MoVG集箱接頭上發現再熱裂紋，雖經PWHT，測得的殘餘應力仍為133～255 MPa，其最大值已達12Cr1MoVG材料的屈服點下限255 MPa。

3.4 填充材料

對於耐熱鋼，一般選擇成分相等或相近的填充材料，以保證焊縫金屬與母材有相等或相近的熱強性與熱穩定性。但從降低接頭再熱裂紋傾向出發，選擇比母材強度稍低、塑性更高的填充材料，可以提高接頭塑性變形能力，降低接頭的應力集中程度，從而降低再熱裂紋敏感性。焊縫表面採用低強度高塑性焊材蓋面也是一種有效的方法。

3.5 預熱和後熱

焊前預熱有利於降低接頭的殘餘應力，減小過熱區的硬化，形成對裂紋不敏感的顯微組織，因此預熱可以有效地防止再熱裂紋。但是，預防再熱裂紋的預熱溫度一般要比預防冷裂紋的溫度更高，或者還需要與其它措施相配合，如使用高韌性焊接材料、焊接後熱等。

後熱可有效消除焊縫中的擴散氫，減少焊縫中殘餘的空穴，同時可使焊縫晶界的有害雜質元素S，P等進一步彌散，減小因雜質偏聚而導致再熱裂紋形成的機率。工程中因受到實際條件的限制而不允許高的預熱溫度時，可以配合採用後熱措施。

3.6 焊接熱輸入量

焊接熱輸入量對再熱裂紋有兩個方面的影響。大的熱輸入量有利於減小拘束應力，降低粗晶區硬度，使焊接過程中晶內沉澱強化析出物更多，減少再次受熱時析出相的強化作用，從而有利於減小再熱裂紋傾向。但另一方面，大的熱輸入量粗化熱影響區粗晶區晶粒，增大晶界的應變，從而增加再熱裂紋傾向。因此，從降低再熱裂紋傾向出發，對於晶粒長大敏感的低合金耐熱鋼，焊接時應選擇低熱輸入焊接方法，並採用小熱輸入；對於晶粒長大不敏感的低合金耐熱鋼，可選擇較大的焊接熱輸入。如文獻[46]採用熱模擬方法研究07MnNiCrMoVDR鋼再熱裂紋敏感性，當採用小熱輸入量輸入時，HAZ組織在高溫下塑性很好，再熱裂紋敏感性低；大熱輸入條件下，HAZ斷面收縮率隨溫度變化較大，表現出對再熱裂紋敏感，最敏感溫度約600℃。

3.7 焊後熱處理工藝

由於低合金耐熱鋼存在再熱裂紋敏感溫度區間，因此PWHT時，在保證滿足改善組織和消除應力的條件下，應儘量避免恆溫溫度處於敏感溫度區，且在升降溫過程中減少在敏感溫度區停留時間。

研究表明，提高加熱速度有利於防止再熱裂紋，這是因為對於一定合金，強化速度一定，如果其加熱速度超過其析出強化速度(或時效硬化速度)，就不致形成再熱裂紋。此外還可採用低溫PWHT、中間分段PWHT、完全正火處理等避開再熱裂紋敏感溫度區間的工藝。

3.8 應力與應力集中

接頭應力大小與應力集中程度，直接關係到再熱裂紋的形成。文獻在研究三通接頭再熱裂紋時，發現裂紋起裂位置與接頭最大應力位置有著良好的對應關係。強力對口的焊接接頭，焊接時更易形成再熱裂紋；缺口位於粗晶區和有餘高又有咬邊的情況常導致產生再熱裂紋；PWHT前仔細修整焊趾有利於減小應力集中，對防止再熱裂紋有良好的效果。

3.9 應變

研究表明，對於厚壁件隨著焊接層道數增加，HAZ應變增加，使接頭的韌性下降，成為厚壁結構再熱裂紋敏感性增強的原因之一。在進行焊接熱模擬循環的同時施加不同的應變，結果發現，隨著所施應變量的增加，蠕變斷裂時間減小，蠕變塑性下降，再熱裂紋敏感性增強，表明焊接熱循環過程中的應變確能對粗晶區造成塑性損傷。

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4、有待繼續研究的問題

4.1新型低合金耐熱鋼T23再熱裂紋機理與影響因素

新型低合金耐熱鋼T23一方面表現出優異的熱強性和熱穩定性，另一方面其接頭曾因裂紋問題嚴重困擾工程界。大量研究表明，T23鋼具有較強的再熱裂紋敏感性，再熱裂紋機理為蠕變斷裂。但是這些理論仍對許多現象還不能全面或合理的解釋，如即使未經焊後熱處理或高溫運行，僅僅受後續多次焊接過程短暫的熱作用，前次接頭熱影響區粗晶區也能產生再熱裂紋；裂紋從工程可檢到擴展至洩漏，承載時間可以非常短暫。

因此，繼續開展新型耐熱鋼T23鋼焊接接頭再熱裂紋的研究，一方面是解決目前面臨的工程技術問題，為已用T23鋼的監測與檢驗提供技術支持，也為T23鋼材料的選用提供依據；另一方面，對T23鋼接頭裂紋的研究，將掌握和完善以T23鋼為代表的新型多元複合強化耐熱鋼再熱裂紋機理，深化對焊接再熱裂紋理論和材料高溫變形與斷裂理論的研究，促進材料學和焊接學科的發展與進步。

4.2壁厚件再熱裂紋敏感性緩解措施

隨著服役參數的提高，低合金耐熱鋼使用壁厚越來越厚。如前所述，隨著壁厚的增加，材料的再熱裂紋傾向也隨之加大。針對於具體結構，研究人員提出了許多降低再熱裂紋敏感性的措施，如提高預熱溫度，合理設計焊接順序，PWHT時提高再熱裂紋敏感溫度區間升降溫速度，合理延長恆溫時間等。這些措施對緩解厚壁件再熱裂紋起了積極作用，但這些措施對再熱裂紋產生的定量影響，還缺乏相應的理論或試驗數據支持。系統研究壁厚增加對裂紋產生的冶金因素(如母材性能、接頭粗晶區性能)和力學因素(如殘餘應力、PWHT時的溫度場和應力場)的影響規律，掌握厚壁件再熱裂紋產生的關鍵控制參量，將有助於開發和優化焊接工藝，獲得普遍適用的厚壁件接頭再熱裂紋緩解措施。

4.3長時運行接頭再熱裂紋產生原因

隨著運行時間的增加，近年來發現了很多長時運行低合金耐熱鋼接頭的裂紋具有典型的再熱裂紋特徵，明顯區別於蠕變、疲勞損傷裂紋。初步研究發現，這些裂紋的出現與局部組織老化有一定關係，即出現裂紋的區域(HAZ粗晶區或焊縫)組織老化更嚴重，但未受焊接或PWHT熱作用的母材組織老化輕微得多。

低合金耐熱鋼長時高溫服役過程中，會出現珠光體球化、α固溶體中合金元素貧化、碳化物相結構類型轉變以及晶界附近區域的合金元素貧化等。從前面的綜述可看出，再熱裂紋的出現與析出物的析出、晶界的變化都有著緊密關係，焊接工藝、PWHT參數等對接頭初始組織有著極大影響。在再熱裂紋研究中，對於長時運行後組織變化與長時運行產生的再熱裂紋的關係，還未見研究報導。

研究長時運行後再熱裂紋，有助於分析接頭再熱裂紋產生的原因並提出預防措施，有助於在建造時優化焊接與PWHT工藝。

4.4橫向再熱裂紋產生原因

工程中發現，某些低合金耐熱鋼接頭高溫運行後，其焊縫金屬中產生一種橫向再熱裂紋。如文獻[51]和[52]分別在運行6萬和7萬小時的15Cr1Mo1V鋼焊縫中發現再熱裂紋，兩者的焊接材料分別是R337 (1.5Cr-1Mo-V-Nb)和R317(1Cr-0.5Mo-V)；在2讈讕Cr1Mo讈讕V鋼埋弧焊焊縫中發現橫向再熱裂紋；文中筆者在高溫運行後的12Cr1MoVG小徑管接頭焊縫金屬中也發現橫向再熱裂紋。

與傳統縱向再熱裂紋比較，上述橫向再熱裂紋的形態有著很大不同：其產生於焊縫中而非HAZ粗晶區，常常會有多條相互接近平行的裂紋同時存在；部分裂紋僅存在於焊縫金屬中，部分已擴展至接頭粗晶區，但在深度方向上的擴展量可以遠大於在長度方向上的擴展，因此曾發現裂紋擴展至洩漏時，裂紋在焊縫上長度並不長。

裂紋的形態在某種程度上是導致裂紋產生原因的本質因素的具體表現。從上述橫向再熱裂紋形態、產生的工況條件初步分析認為，該形態裂紋的產生不僅與運行載荷有關，也與建造時的焊接工藝、焊後熱處理工藝等相關。但關於橫向再熱裂紋的原因，與建造工藝、運行載荷等的關係，還未見系統的研究報導。

結束語

雖然關於低合金耐熱鋼再熱裂紋的產生機理、影響因素等已有大量研究，但這些理論對部分再熱裂紋的發生仍不能全面解釋。針對近幾年工程中發現的新問題，認為目前至少仍需在以下幾個方面繼續對低合金耐熱鋼焊接接頭再熱裂紋進行研究：

①多元複合強化新型耐熱鋼再熱裂紋機理與影響因素；

②傳統耐熱鋼壁厚增加後再熱裂紋緩解措施；

③長時運行接頭再熱裂紋(包括縱向裂紋和橫向裂紋)的產生原因。

這些既是工程所需，也是學科發展和進步所需。