焊接结构：焊接结构的破坏.pdf

第十篇! 焊接结构 第三章!焊接结构的破坏 第一节!概!述 一、 焊接结构的失效类型 焊接结构也和其他机械产品一样， 在服役期间可能因丧失其规定功能而失效。失效 的类型大致可归纳为： “） 过量变形失效! 它包括过量弹性变形失效和过量塑性变形失效两种， 均因变形量 已超过了允许值而不能继续使用。如桥式吊车焊接主梁工作一段时间后发生过量下挠 变形， 锅炉管道产生过量的蠕变变形等。 #） 断裂失效! 它包括塑性断裂、 脆性断裂、 疲劳断裂和蠕变断裂等失效。这一类属 于破坏失效， 有些具有突发性， 易造成灾难性后果。由于在焊接结构中时有发生， 故是本 章介绍的主要内容。 $） 表面损伤失效! 它包括腐蚀失效和磨损失效。前者又分应力腐蚀、 腐蚀疲劳、 氢 脆、 点蚀、 缝隙腐蚀等失效形式； 有些腐蚀的最终断裂也具有瞬时性， 易造成严重后果； 后 者是相互接触并作相对运动的构件由于机械作用而造成的表面破坏， 又分粘着磨损， 磨 料磨损、 接触疲劳磨损； 微动磨损、 气蚀等失效形式。在焊接堆焊和喷涂产品工作过程中 常遇到此类失效。 %） 泄漏失效! 焊接容器、 管道类结构因致密性不良， 使储存或输送的气体或液体发 生向外泄漏而失效。 引起焊接结构失效的原因是多方面的， 它涉及结构用材， 构造设计、 制造工艺和服役 条件等因素。表 “1 #;? # / $ $a 当应力 $ 较低时， =;? # / $ $a“ “ / #$ /$ () a / ， 则： ! # “/ #“ %“ ； 在腐蚀介质中用材料抗 应力腐蚀的界限应力强度因子 %(8#和材料的应力腐蚀速率5# 5。他用 ; 种材料作低周疲劳试验得出塑性应变与疲劳寿命关系曲线 图 .% 7: 7:;! 应变 7 寿命 ! 7!#曲线 的斜率 （指数 中看出， 弹性线与塑性线交点对应的寿命 !“， 是区分高周与低周疲 劳的分界点。在 !#-!“处， 塑性应变幅占主导地位， 属低周疲劳区； 在 !#b !“处， 弹性应变幅占主导地位， 属高周疲劳区。由于两种疲劳过程的特点不同， 为了获得高的 c14. 第十篇! 焊接结构 疲劳抗力， 对材料性能的要求也有所不同。在低周疲劳区应首先考虑材料的塑性和韧性 因素， 因为这时疲劳裂纹萌生很早， 疲劳寿命是由裂纹扩展过程所决定的， 塑性好的材 料， 塑变容易， 使应力得到重新分布， 延缓裂纹的扩展； 而高周疲劳区， 强度对疲劳抗力起 主导作用， 因为这时裂纹萌生期已占较大比重。材料性能不同， “!#有较大差别。一般强 度提高使 “!#向芹移。塑性提高使 “!#向右移， “!#向左移， 材料的缺口敏感性亦随之 增加。 由于高周和低周疲劳对材料的强度和塑性有着完全相反的要求， 而材料一般又难同 时兼有高的强度和高的塑性。所以当无法同时兼备高的低周疲劳抗力和高周疲劳抗力 时， 须根据构件的实际服役条件， 有目的地选择材料和制造工艺。 五、 提高焊接结构疲劳强度的措施 （$） 降低应力集中 疲劳裂纹源于焊接接头和结构上的应力集中点， 消除或降低应力集中的一切手段， 都可以提高结构的疲劳强度。 表 $% 1, )1 的焊缝， “8取 1, )。 第五节!焊接结构的腐蚀破坏 一、 概述 (, 腐蚀及其分类 材料 （含保护层） 与所处环境中的介质之间因发生化学或电化学作用而引起的破坏 和失效现象称腐蚀。金属或非金属材料都会发生腐蚀， 但金属的腐蚀最为突出。 腐蚀一般是按腐蚀机理、 环境状态或破坏形式分类。按腐蚀机理分有化学腐蚀和电 -)4( 第十篇! 焊接结构 化学腐蚀； 按腐蚀环境分有自然环境 （如在大气、 海水或土壤中） 腐蚀和工业环境 （如在 酸、 碱、 盐、 工业水中） 腐蚀； 按产生破坏形式分有全面腐蚀和局部腐蚀。 “# 腐蚀机理 （$） 化学腐蚀 金属的化学腐蚀是指金属与周围介质单纯因化学作用而引起的腐蚀。如钢铁在高 温下与空气中的氧气作用而生成氧化层。在 $%- 部! 位 在硝盐溶液中在碱溶液中 %-5 0? $“ %-5 0? $“ ()%#% 焊缝） 单道埋弧焊!+,. /01） 多道焊条电弧焊 !+,. /01%） !-+,. /9/ $“ %8 3268 裂纹平行于轧制方向， 5裂纹垂直于轧制方向。 表 “# $% $ 钢接头热影响区各部位在沸腾硝盐溶液中的临界值 !()*+, 临界值熔合区细晶区混晶区母材 !()*+,. /01%362335） ， %43 （5） ! ! 高强度钢的应力腐蚀倾向很大， 由于它对焊接热循环很敏感， 接头各区的组织变化 十分复杂， 故焊态下接头各区的应力腐蚀抗力有显著差别。表 “# $% $） ($3 的合金元素 对退火状态的条件腐蚀疲劳极限影响很小， 只有加入大量合金元素形成不锈钢， 才能使 腐蚀疲劳明显提高； 组织状态对大气和腐蚀介质中的疲劳强度有着完全不同的影响。 高、 中温回火得到的索氏体和托氏体组织具有最高的条件腐蚀疲劳极限， 而马氏体组织 则对腐蚀介质最为敏感， 见表( +“ +%4。 “、 1?， 则表面产生较 小残余压应力， 且 ? 在所有介质中对碳钢都是阳极， 故镀 ? 总是提高腐蚀疲劳。若电 镀后用喷丸和滚压强化等工艺， 可进一步改善腐蚀疲劳强度。 +） 隔离保护! 把工作材料与腐蚀介质隔离。隔离层可以是有机材料 （如油漆） ， 也可 以是无机材料如玻璃、 陶瓷等。 ,） 采用抗腐蚀性能好的材料! 可以是单一的抗蚀金属材料， 也可以是复合 （双层） 金 属材料， 与腐蚀介质接触的一面为耐蚀材料。 四、 耐腐蚀的结构设计 影响金属腐蚀的因素可概括为材料的内在因素和环境介质的外部因素。设计在腐 蚀介质中工作的焊接结构， 首先应选择具有耐腐蚀性能的金属材料， 以保证具有良好耐 腐蚀的内在质量。有时为了满足强度、 刚度或某方面要求， 所用材料耐腐性能较差时， 通 常是采取在基体材料上施加保护层或表面合金化处理， 以达到对基体材料的腐蚀保护。 如起阻隔作用的， 有机涂层或无机涂层等； 起电保护作用的， 有电镀、 喷镀等。对于焊接 结构来说还可以采用在基体表面堆焊耐蚀合金或覆盖耐蚀金属薄板 （容器结构称衬里） ， 或者直接利用复合 （双金属） 钢板。图%& ( +, 为容器设计中常用复合钢板的焊接接 头， 这类接头的焊接， 没有复合钢板时， 可采用衬里， 图 %& ( +* 为衬里的接头形式。 ,8*% 第十篇! 焊接结构 有些衬里材料如铝、 锌、 铅等不能与基体焊接， 这时宜采用图所示的接头 形式。 图 “# $% $&(! 复合钢板焊接接头 对直接与腐蚀介质接触的焊接结构设计时应注意： 图 “# $% $&)! 衬里能与基体直接焊接的接头形式 图 “# $% $&! 衬里不能与基体直接焊接的接头形式 图 “# $% $&*! 抗应力腐蚀焊接设计之对比 +） 不合理的结构设计! ,） 合理的设计 “） 避免或减少结构不连续处的应力集中对于接管， 不同板厚之过渡区， 应采取设计 措施使局部应力尽量小， 如采用渐变厚度法， 焊缝表面向母材圆滑过渡。必要时， 对工艺 提出打磨焊缝表面、 对焊趾进行 -./ 重熔等要求。此外， 要严格控制焊接缺陷， 限制角变 形和错边量， 以避免产生局部应力集中或因产生附加弯矩而增大接头区的应力水平。 0） 避免容器结构中的 “缝隙” 与 “死角” 若容器结构内有 “缝隙” 与 “死角” 就会造成溶 )1)“ 第十篇! 焊接结构 液的浓聚、 积滞， 为腐蚀创造条件。图 “# $ % $ & 列出了合理与不合理的两类结构设计 的对比。 %） 筋板角焊缝的布置应采用不留或不露间隙的焊缝、 连续焊缝或扇形切割的间断焊 缝 （端部需围焊） ， 如图 “# $% $&( 所示。 图 “# $% $&(! 筋板角焊缝