残余应力对焊接脆断的影响.doc

残余应力对焊接脆断的影响焊接作为一种实现材料永久性连接的方法被广泛地应用于各个工业部门，由于焊接是一个不均匀加热和冷却的过程。焊接时加热速度快，高温停留时间短（几秒到几十秒），自然冷却，不同于一般的热处理过程，所以这种过程必然会造成不均匀的组织和性能，同时产生复杂的应力。而焊接接头内产生的瞬态热应力以及残余应力.它们的存在，往往是形成焊接裂纹的重要因素，又是造成热应变时效脆化的根源，在一定条件下会影响构件的强度、刚度及其使用寿命.更为严重的是在某些情况下，它们可能导致焊接结构的应力腐蚀开裂，早期疲劳失效和脆性断裂等突发、灾难性事故，从而给生产、人身安全及社会带来巨大损失。下面我们讨论残余应力对焊接脆断的影响。焊接过程中的应力, 按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中, 某一瞬时的焊接应力称之为焊接瞬时应力, 它随着时间而变化。焊后残留在焊件内的焊接应力称之为焊接残余应力。焊接过程由于高度集中的瞬时热输入引起材料不均匀的弹塑性变形，在焊件上产生不均匀的温度场.因此，加热时高温区金属的膨胀，将受到周围低温区金属的约束，而产生压缩塑性变形.冷却时，其塑性压缩的压缩量不能自由地恢复.因此，在焊件内部产生相互平衡的拉伸和压缩应力.焊接残余应力有平行于焊缝的纵向应力和垂直于焊缝的横向应力.焊接残余应力的分布，是一条连续的不规则曲线。用这种复杂的曲线难以计算残余应力，可以采用矩形化简法，阶梯型化简法，近似函数化简法，残余应力再分布法进行计算。焊接结构中的残余应力对焊接结构的脆性破坏影响很大。脆性断裂是焊接结构的一种最为严重的断裂失效，通常脆性断裂失效都在实际应力低于结构设计应力下发生，断裂时无显著的塑性变形，具有突发破坏的性质，往往造成重大损失，因此分析焊接结构脆性断裂的主要因素并从防脆断设计、制造质量的全面控制、设备使用管理等方面提出防止焊接结构发生脆断的工程技术措施显得尤为重要。金属材料脆性断裂的能量理论11920年Griffith取一块厚度为1单位的“无限”大平板为研究模型，先使平板受到单向均匀拉伸应力（图1），然后将其两端固定，以杜绝外部能源，垂直于拉应力的方向开长度为的穿透裂纹，平板中的弹性应变能将有一部分释放，其释放量为，新表面吸收的能量为，系统总能量变化为，则裂纹释放的弹性应变能为设裂纹的单位表面吸收的表面能为，则形成裂纹所需要的总表面能为因此，裂纹体的能量改变总量为能量随裂纹长度的变化如图2裂纹扩展的临界条件，即 因此，对应于裂纹半长为时导致断裂的应力，在应力作用下，如果裂纹半长时，裂纹不扩展，结构可以安全工作。工程上处理时，应注意两点： 设计时估计的可靠性； 检测中对于缺陷图像显示或描述的准确性如何？真实再现。（） 裂纹扩展力 裂纹扩展阻力 给定材料为常数。，裂纹自动扩展，裂纹不能自动扩展。此时才知道材料有这么一种性能，我们通常称之为材料的断裂韧性（Fracture toughness），理论实际，、断裂韧性、，对于脆性材料，抵抗裂纹扩展主要是表面张力，对于具有一定塑性的材料，此时的阻力由两部分组成： 表面张力； 裂纹尖端附近区域在形成新表面前要产生一定的塑性变形而吸收能量，用表示： 对于金属材料，于是，由 Orowan 提出，在上述基础上，Irwin(美国)发展并确立了弹性断裂力学（1957年）（1950年，U.S.A Navy 北极星导弹）图1 无限大平板中存在长度为的型裂纹模型（Griffith） 宽板试验残余应力的影响图2 系统能量与裂纹扩展的关系脆性断裂可以通过冲击试验，威尔斯宽板试验，落锤实验，断裂力学评定方法来进行评定。脆性断裂产生的原因和影响因素焊接时的热不平衡,加上结构的拘束度,必然在焊接接头区产生焊接残余应力,这种残余应力常常可达到材料的屈服强度,使结构的应力水平提高而产生裂纹,导致事故。脆性断裂通常是以裂尖处材料的拉开断裂为主，对于脆性及准脆性材料或者在荷载作用下表现为脆性的材料，由于其线弹性力学特征，裂尖处应力升高得很快，从而使裂尖的塑性区不能及时形成一定的规模，或是由于裂尖的钝化来不及形成，因此裂尖处大多表现为脆性断裂，因而裂尖的材料大多受拉应力作用而开裂。焊接残余应力对脆性断裂有着不可小视的影响。脆性破坏是指构件在几乎不存在塑性变形情况下突然开裂,并快速在整个截面内传播直至破坏。它在低温或者变形速率增加情况下最容易发生。焊接结构中残余应力的存在(残余应力较高时可达屈服极限)时,在外荷载的作用下,有效比例极限降低,部分截面提前进入屈服。这部分截面在塑性变形后,材料的塑性变形能力降低,呈脆性。因此,残余应力的存在,使部分截面出现脆性性能,加剧了构件脆性破坏的可能性。对于压力容器来说，大型压力容器主要采用焊接结构。焊接残余应力的存在，往往加速脆断发生。压力容器的焊接残余应力存在状况. 施焊时，焊接热会使焊件形成不均匀的温度场，即产生不均匀的热变形，而且容器的纵向与横向对变形的约束也不一样，因此产生了不均匀的残余应力。此外，母材金属的供货状态、运输及焊前的各种加工也会产生残余应力。容器的焊接残余应力是随焊件的形状、尺寸、焊缝布置、焊接工艺的不同而变化的，故焊接残余应力的存在情况比较复杂，焊接残余应力沿焊缝的纵向的拉应力有一个峰值，在焊缝轴线上，在离开焊缝轴线的两侧，拉应力衰减很快，最后变为压应力。垂直焊缝的横向残余应力分布形式与前者相似，其峰值是在焊缝及熔合线附近，但峰值则比前者小得多。圆筒形容器的纵焊缝表面残余应力测量，因而研究焊接残余应力对压力容器脆断的影响是十分重要的课题。焊接残余应力对压力容器脆断的研究有两种方法。即转变温度法及断裂力学法。前者主要以脆断发生温度评价残余应力对脆断的影响。文献2指出，由于残余应力的存在，提高了脆断发生温度，亦即降低了断裂应力。但用转变温度法从理论上定量研究残余应力对脆断的影响，目前尚有一定困难。由图看出，压力容器在温度T.时形成的残余应力，在低温脆断时，其断裂应力低于无残余应力的断裂应力，只有当温度大于T:时，两者才相等。可见残余应力的存在，加剧压力容器的低温脆断。由图15看出，经过超载试验后，有残余应力的断裂曲线为DFAC，在A点以上与余应力的断裂应力曲线相重，在F点以下按式作出曲线，在A点F与点之间近似地以直线代替。在TT:时，断裂应力比a高。由此看出，超压实验对于有残余应力的构件是有益的。2. 残余应力对PWR压力容器脆断的影响3残余应力具有自平衡性质，属于二次应力。它仅在弹性结构中起作用。因此，残余应力对PWR压力容器的主要影响是加速应力腐蚀和疲劳破坏，引起脆性断裂。关于残余应力在PWR压容器脆断中所起的影响有以下几个：在PWR压力容器的对接焊缝中，残余应力呈三维分布。在热处理前，纵向和横向最大残余拉应力值均接近材料的屈服强度。在宽度2b的焊缝横截面上，无论热处理前或热处理后，纵向残余拉应力合力值最大。残余拉应力对焊缝中有缺陷的PWR压力容器脆断的影响不能忽视。在采用线弹性断裂力学原理进行安全评定时，对严格按焊接和热处理规范建造的PWR压力容器，焊接残余拉应力可取为0.1一0.2(沿2b横截面均匀分布)。3.等效裂纹法结合给出的计算PWR压力容器表面裂纹的残余拉应力弹性应力强度因子的方法，精度比较高，可用于工程计算。压力容器若不按规范制造，由于焊接结构和工艺不合理，会产生很高的二次应力。在有延迟裂纹出现的情况下，即使不施加外载荷，也有可能发生脆性断裂事故。3. 焊接残余应力对圆筒形压力容器脆断的影响41.沿焊缝的纵向残余拉应力一般可达母材屈服限的0.6一1.2倍，垂直焊缝的横向最大残余拉应力一般只为纵向残余应力峰慎的1/4一1/2。当壁厚增大，残余应力的峰值也增大。2残余应力沿壁厚方向的分布变化很大。纵向残余应力和横向残余应力在壁表面上为拉应力，越往壁厚中部越下降，甚至变为压应力。沿壁厚方向的残余应力很复杂，多数情况是压应力。3.残余应力的大小、方向与分布有一定的规律性，但由于各种因素的综合影响，仍有不同的变化，例如板厚、温度梯度、约束度等的变化均会引起残余应力的大小甚至是方向的变化。经焊后退火热处理的容器也发现仍存在量的残余应力5残余应力对压力容器的脆断破坏、疲劳命以及应力腐蚀开裂等都有较大的影响。4. 运用MFPA2D数值试验方法完成脆性材料在双向应力比不断变化条件下不同破坏失稳过程的数值模拟,对不同断裂参数进行数值计算. 计算结果表明,材料裂纹失稳扩展时的应力强度因子值随着双向应力比的升高而升高.这一结果验证了双向应力确实对脆性材料的断裂韧性有影响。这一结论实际已被关于断裂韧性的试验所证实6、7.5. 焊接残余应力对钢构件受力性能的影响81残余应力对钢构件静力强度的影响如果没有严重的应力集中的焊接构件,只要构件和焊道本身具有较好的塑性变形能力(没有低温、动荷载等使钢材变脆的不利因素),残余应力不会降低构件的静力强度。因为有残余应力的构件承受逐渐增大的轴心拉力时,外荷载引起的拉应力将叠加截面的残余应力。在加载过程中,应力不断增加,当叠加总应力达到材料的屈服极限,构件中有残余拉应力的截面提前进入塑性区,后增长的外荷载仅由截面的弹性区承担,随荷载的增大,弹性区减少,塑性区增大,内部应力不断叠加,应力发生重新分布,直至整个截面上的应力达到材料的屈服极限时为止。由于截面残余应力为自相平衡应力分布,故静力荷载相等,即残余应力不会降低构件的静力强度。但是塑性材料在一定条件下会失去塑性,变成脆性或者构件材料塑性较低,残余应力将会影响构件的静力强度。因为构件无足够的塑性变形产生,在加载过程中应力峰值不断增加,直至达到材料强度极限后发生破坏,因而残余应力对其有影响。2残余应力对构件疲劳强度的影响钢材在循环应力多次反复作用下裂缝生成、扩展以致断裂破坏的现象称为钢材的疲劳。在焊接构接中,焊接部位一般都有较大的焊接残余应力,包括残余拉应力,其峰值常可接近或达到钢材的屈服强度。当构件承受外部循环拉应力的作用时,焊缝处截面上实际应力将是荷载引起的应力与其残余应力的叠加,其应力幅与外荷载的应力幅相等,而应力幅又决定于外部循环荷载,只要外部循环荷载已定出,外荷载的应力幅就不会改变。因此在焊缝位置的疲劳是在等应力幅下不同应力水平的疲劳。残余应力对构件疲劳性能与残余应力分布有关,通常n大于1,从中可看出残余压应力(负值)可以提高疲劳寿命,而残余拉应力(正值)减少疲劳寿命。3.焊接残余应力对结构强度的影响对静载荷下脆性断裂的影响焊接残余应力的存在，往往加速焊接结构发生脆性断裂9(见图3)。设想在焊缝中或临近焊缝的区域有垂直于焊缝方向的裂纹存在，此时促使裂纹尖端开裂的因素，不仅有外负载产生的张应力，而且有焊接产生的拉伸残余应力。因此在较低的外负荷下，也会发生脆性断裂。根据断裂力学的理论，裂纹尖端的应力强度因子应由两部分组成，一部分是外负荷所形成的，另一部分是焊接残余应力所形成的。当这两部分应力强度因子的总和达到材料的断裂韧性时，则处于临界状态，开始发生脆性断裂。对焊接残余应力形成的强度因子占主要成分的情况，达到临界状态并不一定会造成焊接结构的全面脆断。因为裂纹尖端启裂后，焊接残余应力一部分被释放，一部分重新分配，拉应力峰值迅速减小，所以减小了裂纹继续开裂的危险。当裂纹扩展到压缩残余应力区域时，将改变裂纹扩展的方向，甚至起止裂作用(如图4所示)。当裂纹扩展到压缩残余应力达20公斤/毫米2处，裂纹不再扩展。在轮式起重机上，为降低自重，提高起重性能和行驶机动性，广泛采用60公斤/毫米2级以上的高强度钢制造钢结构。使用实践表明，板厚大于12毫米的高强度钢，低温脆断是个突出的问题。因此，还要研究焊接残余应力对脆断的影响。有初始缺陷(如裂纹等)的钢结构，在腐蚀性介质中工作时，焊接残余应力对应力腐蚀裂纹的影响是十分严重的。日本钢铁协会曾对应力腐蚀裂纹的事故作过调查，统计资料表明，全部事故的80%以上是由于焊接和加工过程产生的残余应力所引起的，因此促使人们对残余应力的危害更为警惕。焊接残余应力降低构件的使用性能，也影响构件的加工质量和尺寸稳定性，往往使焊接产品的质量下降或使下一道工序无法顺利进行，对于一些脆性材料影响较为明显，对于在高温、高压、低温、腐蚀条件下工作的焊接结构以及承受动载的焊接结构容易引起脆断，故应进行消除残余应力。在设计上尽量减少焊缝的数量和减小焊缝尺寸，避免焊缝过分集中，焊缝间应保持有足够的间距。在工艺上采用合理的焊接顺序，降低接头局部的拘束度，适当采用预热法和局部加热的方法来减小应力。消除残余应力的方法主要有热处理和加载法。其中热处理法有整体高温回火和局部高温回火的方法，整体高温回火较局部高温回火效果好。主要参考文献1 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