焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂

1、第四章 焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂,本章主要內(nèi)容：一、焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂和疲勞破壞的特點(diǎn)、產(chǎn)生原因及影響因素；二、提高結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度和防止脆性斷裂的主要措施。,,,二戰(zhàn)期間美國(guó)船只的脆性斷裂,綦江彩虹橋垮塌案,“虹橋”系綦江縣形象工程，形似彩虹而得名，該橋跨越長(zhǎng)江支流—綦河，連接城東城西，于1994年11月5日動(dòng)工建設(shè)，1996年2月16日竣工，橋凈空跨度120米，耗資368萬(wàn)元。1999年1月4日晚6時(shí)50分左右，彩虹橋整體垮塌，包

2、括18名年輕武警戰(zhàn)士在內(nèi)的40人遇難。調(diào)查組認(rèn)為，這次垮塌事件由兩方面的原因造成。一是工程質(zhì)量問(wèn)題；二是工程承發(fā)包不合法。調(diào)查結(jié)果表明，這次慘劇不是天災(zāi)，而是人禍。其根本原因，是由于政府在工程開(kāi)發(fā)建設(shè)上沒(méi)有遵循法律，履行必要的審核、論證程序，采取了“特事特辦”的方式，盲目追求效率營(yíng)造“獻(xiàn)禮工程”，從而釀成大禍。,綦江彩虹橋垮塌案,,記者的報(bào)道,三向應(yīng)力,2000年9月3日傍晚，三峽工地正在緊張施工。突然傳來(lái)一聲巨響，一臺(tái)正在進(jìn)行檢修的

3、巨型塔帶機(jī)驟然垮塌，兩節(jié)重達(dá)20噸的機(jī)臂和部分皮帶從約20米的高空落下，造成34人傷亡，其中死亡3人，重傷20人。這就是當(dāng)年震驚全國(guó)的三峽工程“9·3”重大事故。,三峽工程“9.3”事故,焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂,一、脆性斷裂的主要特征宏觀：斷裂前無(wú)明顯塑性變形，沒(méi)有任何先兆，突然性強(qiáng)。斷裂時(shí)所承受載荷不大，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)時(shí)的許用應(yīng)力，是典型的低應(yīng)力破壞形式。,斷口形態(tài)：斷口發(fā)光顆粒、平整、人字花樣、河流花樣、穿晶。,系列沖擊試驗(yàn),

4、-59℃,-12℃,4℃,16℃,24℃,79℃,低強(qiáng)度鐵素體鋼沖擊斷口照片,系列沖擊試驗(yàn),,,,奧氏體鋼,低強(qiáng)度鐵素體鋼,高強(qiáng)度鋼,二、影響金屬脆性斷裂的因素,1、應(yīng)力狀態(tài)的影響,缺口效應(yīng),應(yīng)力狀態(tài)：加載方式和材料本質(zhì),零件受外力作用時(shí)，其內(nèi)部各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可用三個(gè)主應(yīng)力σ1、 σ2、 σ3來(lái)（ σ1> σ2 > σ3）來(lái)表示。,材料力學(xué)知識(shí),α：應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)，零件加載方式由α表示。,P184 圖5-4,,τk,加載方

5、式不同，斷裂方式不同,加載方式相同，材料本質(zhì)不同，斷裂方式不同,2、溫度的影響,塑性材料開(kāi)始由塑性變?yōu)榇嘈缘臏囟冉胁牧洗嘈赞D(zhuǎn)變點(diǎn)。結(jié)構(gòu)的使用溫度較低時(shí)，其中的某個(gè)部件或局部可能達(dá)到脆性轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下，使塑性材料變脆。,,3、加載速度的影響：提高加載速度，相當(dāng)于降低工作溫度。,,,應(yīng)變速率,度強(qiáng),,,斷裂強(qiáng)度,屈服強(qiáng)度,,,4、材料狀態(tài)的影響,前述三個(gè)因素均屬引起材料脆斷的外因。材料本身的質(zhì)量則是引起脆斷的內(nèi)因。 1）厚度的影響。厚度增

6、大，發(fā)生脆斷可能性增大。一方面原因已如前所述，厚板在缺口處容易形成三向拉應(yīng)力，沿厚度方向的收縮和變形受到較大的限制而形成平面應(yīng)變狀態(tài)，約束了塑性的發(fā)揮，使材料變脆；另一方面是因?yàn)楹癜逑鄬?duì)于薄板受軋制次數(shù)少，終軋溫度高，組織較疏松，內(nèi)外層均勻性差。抗脆斷能力較低。不象薄板軋制的壓延量大，終軋溫度低，組織細(xì)密而均勻，具有較高抗斷能力。2）晶粒度的影響。對(duì)于低碳鋼和低合金鋼來(lái)說(shuō)，晶粒度對(duì)鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度影響很大，晶粒度越細(xì)，轉(zhuǎn)變溫度越低，越

7、不易發(fā)生脆斷。3）化學(xué)成分的影響。碳素結(jié)構(gòu)鋼，隨著碳含量增加，其強(qiáng)度也隨之提高，而塑性和韌性卻下降，即脆斷傾向增大。其他如N、O、H、S、P等元素會(huì)增大鋼材的脆性。而適量加入Ni、Cr、V、Mn等元素則有助減小鋼的脆性。,三、焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脆性斷裂的原因,1、焊接結(jié)構(gòu)本身：剛性大，整體性強(qiáng)，構(gòu)件間很難發(fā)生相對(duì)位移，焊接應(yīng)力很難消除，且對(duì)應(yīng)力集中特別敏感。止裂能力差，裂紋容易在構(gòu)件之間擴(kuò)展，繼而擴(kuò)展到整體。,2、焊接熱循環(huán),熱影響區(qū)組織

8、脆化，韌性下降。改變材料脆性轉(zhuǎn)變溫度。對(duì)某些高強(qiáng)鋼，板厚為30 mm，線輸入達(dá)50000J/cm時(shí)，可使脆性轉(zhuǎn)變點(diǎn)升高50~100℃,,平板堆焊,3、焊接殘余應(yīng)力,脆性材料降低材料實(shí)際承載能力。產(chǎn)生應(yīng)力集中，使微裂紋擴(kuò)展成脆性斷裂源。,4、備料及成形加工,產(chǎn)生附加應(yīng)力。材料在成形加工時(shí)的預(yù)應(yīng)變可達(dá)2%~3%，預(yù)應(yīng)變使材料塑性降低，脆斷傾向增加?？赡芤胄碌娘@微缺陷，這些缺陷可能成為斷裂源。,鋼板彎曲成形,矯正彎曲變形,,5、焊接

9、缺陷,裂紋、未焊透等面缺陷可能直接成為斷裂源。氣孔、夾渣等三維缺陷會(huì)降低結(jié)構(gòu)的實(shí)際強(qiáng)度，并可能誘發(fā)微裂紋，如擴(kuò)展到表面，就可能成為斷裂源。,焊接熱烈紋,焊縫內(nèi)氣孔,,四、防止焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的措施,1、正確選用材料,,四、防止焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的措施,2、采用合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)㈠ 減少應(yīng)力集中,,㈠減小應(yīng)力集中,盡量采用圓滑過(guò)渡,把角接頭改成對(duì)接接頭,焊縫錯(cuò)開(kāi)布置,㈡ 盡量減小結(jié)構(gòu)剛度,對(duì)于大型焊接結(jié)構(gòu)，在滿足使用條下件，應(yīng)盡量減小結(jié)

10、構(gòu)的剛度，以降低應(yīng)力集中和附加應(yīng)力對(duì)脆性斷裂傾向的影響。通常用開(kāi)“緩和孔”或開(kāi)“緩和槽”等方法來(lái)減小接頭的剛度，有時(shí)還故意留一段焊縫不焊。,三條焊縫空間交叉，剛度大，應(yīng)力集中嚴(yán)重。,把一塊板切掉一角，降低結(jié)構(gòu)剛度。,,,34,5、不可采用過(guò)厚截面,在大型焊接結(jié)構(gòu)中，在滿足工作應(yīng)力的條件下，盡量采用薄板材。在工作應(yīng)力較大時(shí)，可采用多層板結(jié)構(gòu)，從而降低鋼板的脆性轉(zhuǎn)變溫度。不能用減低許用應(yīng)力的辦法來(lái)減小脆斷傾向性，這樣會(huì)使板厚增大，斷

11、裂韌性下降，反而容易引起脆斷事故。,6、了解焊接結(jié)構(gòu)的工作條件,詳細(xì)了解工作環(huán)境的最低氣溫和氣溫變化情況，如海洋鉆井的設(shè)計(jì)要求掌握近20年的氣象報(bào)告，最后通過(guò)概率統(tǒng)計(jì)得出結(jié)構(gòu)最低工作溫度。充分考慮結(jié)構(gòu)的承載情況，對(duì)承受動(dòng)載和沖擊載荷的結(jié)構(gòu)更要給予特殊的關(guān)注，一般要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定結(jié)構(gòu)的脆性轉(zhuǎn)變溫度。對(duì)于儲(chǔ)存腐蝕性介質(zhì)的容器，要求焊縫熱影響區(qū)不能與介質(zhì)接觸。,增加板厚,小 結(jié),脆性斷裂的特征 無(wú)明顯塑性變形的低應(yīng)力破壞，突然性

12、強(qiáng)。產(chǎn)生脆斷的原因 ⑴ 使用溫度低于脆性轉(zhuǎn)變溫度使塑性材料變脆； ⑵ 焊接熱循環(huán)容易使熱影響區(qū)組織粗大，塑性下降; ⑶ 焊接殘余應(yīng)力使焊接接頭強(qiáng)度下降并且接頭處易產(chǎn)生應(yīng)力集中； ⑷ 焊接缺陷使結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載面積減小，并可能引起微裂紋； ⑸ 備料及成形加工時(shí)容易引入缺陷和降低材料塑性； ⑹ 焊接結(jié)構(gòu)剛度大，焊接應(yīng)力難消除，裂紋在構(gòu)件之間擴(kuò)展容易。生產(chǎn)和設(shè)

13、計(jì)中防止脆斷的措施 了解使用條件；合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；降低應(yīng)力集中；盡量減少缺陷。,焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞,動(dòng)荷載的概念 所謂靜荷載是指由零緩慢地增加到某一定值后保持不變或變動(dòng)很小的荷載。構(gòu)件受靜荷載作用時(shí)，體內(nèi)各點(diǎn)沒(méi)有加速度，或加速度很小可忽略不計(jì)，此時(shí)構(gòu)件處于靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的平衡狀態(tài)?！　≡陟o荷載作用下，構(gòu)件中產(chǎn)生的應(yīng)力稱為靜應(yīng)力。相反，若構(gòu)件在荷載作用下，體內(nèi)各點(diǎn)有明顯的加速度，或者荷載隨時(shí)間有顯著的變化，這類荷

14、載稱為動(dòng)荷載。 交變應(yīng)力工程中的某些構(gòu)件工作時(shí)，其力往往隨時(shí)間作周期性變化，這種應(yīng)力稱為交變應(yīng)力。,應(yīng)力循環(huán)特征,(b)脈沖循環(huán),(a)完全對(duì)稱循環(huán),(c)不完全對(duì)稱循環(huán),(d)不完全對(duì)稱循環(huán),,,,,,,,,,,疲勞破壞的特點(diǎn)（1） 交變應(yīng)力下材料發(fā)生破壞時(shí)的最大應(yīng)力，一般低于靜荷載作用的強(qiáng)度極限，有時(shí)甚至低于屈服極限（低應(yīng)力破壞）。（2） 無(wú)論是脆性材料還是塑性材料，在交變應(yīng)力作用下，均表現(xiàn)為脆性斷裂，沒(méi)有明顯的塑性變形。

15、（3） 材料發(fā)生破壞時(shí)，交變應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力的大小有關(guān)，應(yīng)力越大，循環(huán)次數(shù)越少。（4） 斷裂面上有裂紋的起源點(diǎn)和兩個(gè)明顯不同的區(qū)域，即光滑區(qū)域和粗糙區(qū)域，如圖所示。,斷口特征,,,,,,,,,疲勞破壞的過(guò)程構(gòu)件的疲勞破壞，實(shí)質(zhì)上是裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展和最后斷裂的全過(guò)程。三個(gè)階段組成：1）在應(yīng)力集中處產(chǎn)生初始疲勞裂紋；2）裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展；3）結(jié)構(gòu)斷裂。 疲勞破壞是積累損傷的結(jié)果。缺陷→微觀裂紋→宏觀裂紋。,應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N（疲勞

16、壽命）,應(yīng)力幅越低，作用循環(huán)次數(shù)越多，疲勞壽命越高； 應(yīng)力幅相同，作用的循環(huán)次數(shù)越多，疲勞壽命越高。,影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素：（1）應(yīng)力集中的影響對(duì)接焊縫由于形狀變化不大，因此，它的應(yīng)力集中比其它形式的接頭要小； T形(十字)接頭的疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)接接頭。在搭接接頭中，由于其應(yīng)力集中很嚴(yán)重，其疲勞強(qiáng)度也是很低的。（2）殘余應(yīng)力的影響 殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響，取決于殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)。在工作應(yīng)力較高的區(qū)域，

17、如應(yīng)力集中處，受彎曲構(gòu)件的外緣，殘余應(yīng)力是拉伸的，則它降低疲勞強(qiáng)度；反之，若該處存在壓縮殘余應(yīng)力，則提高疲勞強(qiáng)度。另外殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，還與應(yīng)力集中程度、應(yīng)力循環(huán)特征以及循環(huán)次數(shù)等因素有關(guān)，特別是應(yīng)力集中系數(shù)越高，殘余應(yīng)力影響越顯著。（3）缺陷的影響 焊接缺陷對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響大小與缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關(guān)。片狀缺陷(如裂紋、未熔合、未焊透)比帶圓角的缺陷(如氣孔)影響大；表面缺陷比內(nèi)部影響大；位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷比

18、在均勻應(yīng)力場(chǎng)中的同樣缺陷影響大；與作用力方向垂直的片狀缺陷的影響比其它方向的大；位于殘余拉應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)的缺陷比在殘余壓應(yīng)力區(qū)的影響大。值得說(shuō)明的是，同樣尺寸的缺陷對(duì)不同材料焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度的影響也不相同。,提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的措施 （1）降低應(yīng)力集中 (P245 圖6-46 6-47 6-48)（2）調(diào)整殘余應(yīng)力場(chǎng) 1)整體處理。整體處理包括整體退火或超載預(yù)拉伸法。 2)局部處理。采用局部加熱或擠壓可以調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)