焊接结构的脆性断裂

1 第2章焊接结构的脆性断裂 2 本章重点 2 1结构的脆性断裂事故及其特征2 2金属材料脆性断裂的能量理论 2 3金属材料脆性断裂及其影响因素2 3 1金属材料断裂的基本概念2 3 2典型的断裂机制2 3 3影响金属材料脆性断裂的主要因素 2 4焊接结构的特点和工艺因素对脆性断裂的影响 2 4 1焊接结构的特点对脆性断裂的影响2 4 2焊接结构制造工艺的特点对脆性断裂的影响2 5焊接结构防脆性断裂设计原则及相关的评定方法2 6防止焊接结构发生脆性断裂的途径 3 2 1结构的脆性断裂事故及其特征 自从焊接结构广泛应用以来 许多国家都发生过一些焊接结构的脆性断裂事故 虽然发生脆性断裂事故的焊接结构数量较少 但其后果是严重的 甚至是灾难性的 所以脆性断裂引起世界范围有关人员的高度重视 目前脆性断裂事故已趋于减少 但并未杜绝 例如 1972年1月美国建造的大型轮船 船长189m 建成9个月后在纽约的杰佛逊港断成两截并沉没 1979年12月18日我国吉林液化石油气厂的球罐连锁性爆炸 死伤86人 损失约627万元 1992年1月26日我国黑龙江省某糖厂的4000m3糖蜜罐的罐体突然破裂 下面再介绍几起典型焊接结构脆性断裂事故 以便了解脆性断裂的概貌 并可得到相关经验 4 典型脆性断裂事故 桥梁 最典型的是1938年3月比利时阿尔拜特运河上Hesselt桥的断塌事故 这座桥是用st 42转炉钢焊制成 跨度为74 52m 仅使用14个月 就在桥上仅有一辆电车和一些行人的载荷作用下发生断塌 事故发生时气温为 20 6min桥身就突然断为三截 时过不久 1940年1月该运河上另外两座桥梁又发生局部脆性断裂 总计从1938 1940年在所建造的50座桥梁中共有10余座出现脆性断裂事故 加拿大 法国也发生过类似的事故 轮船 在第二次世界大战期间 美国制造的4694艘船中 在970艘船上发现有1442处裂纹 这些裂纹多出现在万吨级的 自由型 货轮上 其中24艘甲板横断 1艘船舶的船底发生完全断裂 另有8艘从中腰断为两截 其中4艘沉没 另外 Schenectady号T 2型油轮1942年10月建成 在1943年1月16日在装备码头停泊时发生突然断裂事故 当时海面平静 天气温和 其甲板的计算应力只有70MPa 5 储罐 在1944年前后 发生几起球形和圆筒形容器的脆性断裂事故 如1944年10月美国的液化天然气储藏基地的球罐和圆筒形储罐 这些罐的内层用质量分数为3 5 的Ni钢制成 事故是由圆筒储罐引起的 首先在圆筒形罐1 3 l 2高处开裂并喷出气体和液体 接着起火 然后储罐爆炸 20min后1台球罐因底脚过热而倒塌爆炸 造成128人死亡 损失680万美元 上述我国在吉林液化石油气厂的球罐爆炸事故 是一台400m3球罐在上温带与赤道带的环缝熔合区破裂并迅速扩展为13 5m的大裂口 液化石油气冲出形成巨大的气团 遇到明火引燃 其附近的球罐被加热 4h后发生爆炸 导致连锁性爆炸 整个罐区成为一片火海 一些著名的典型脆性断裂事故的事例及成因见表2 1 6 表2 1焊接结构脆性破坏的典型事例及成因 7 脆性断裂特征 根据对脆性断裂事故调查研究结果发现 具有如下特征 1 断裂一般都在没有显著塑性变形的情况下发生 具有突然破坏的性质 2 破坏一经发生 瞬时就能扩展到结构大部或全体 因此 脆性断裂不易发现和预防 3 结构在破坏时的应力远远小于结构设计的许用应力 4 通常在较低温度下发生 焊接结构的特点决定它的脆性断裂可能性比铆接结构大 焊接结构的应用范围很广 虽然发生的脆性断裂事故不太多 但损失很大 有时甚至是灾难性的 研究脆性断裂问题对于保证焊接结构的可靠工作 推广其应用范围有重大意义 特别是随着焊接结构向大型化 高强化 深冷方向的发展 对于进一步研究焊接结构的脆性断裂问题就显得更为迫切 更为重要 脆性断裂的根本原因 材料选用不当 设计不合理 制造时有缺陷等 因此 了解金属材料的性质和焊接结构的特点是非常必要的 8 研究和试验表明 固体材料的实际断裂强度只有它的理论断裂强度1 10 l 1000 为什么会有这样巨大的差异 葛里菲斯 Griffith 认为 在任何固体材料里本来就存在着一定数量大小的裂纹和缺陷 从而导致固体材料在低应力下发生脆性断裂 如果能使裂纹减少或者使其尺寸降低 则物体的强度便会增加 他从理论上并用实验证实了这一点 2 2金属材料脆性断裂的能量理论 9 葛里菲斯裂纹体模型 葛里菲斯取一块厚度为1单位的 无限 大平板为研究模型 首先使平板受到单向均匀拉应力 图2 1 然后将其两端固定 以杜绝外部能源 设想在这块平板上出现一个垂直于拉应力 方向长度为2 穿透板厚的裂纹 切开裂纹后 平板内储存的弹性应变能将有一部分被释放出来 其释放量设为U 又由于裂纹出现后有新的表面形成 要吸收能量 设其值为W 此两种能量可以分别计算出来 2 1 另一方面 设裂纹的单位表面积吸收的表面能为 则形成裂纹所需总表面能为 W 4 2 2 因此 裂纹体的能量改变总量为 2 3 10 这个能量改变总量随裂纹长度 的变化曲线见图2 2 其变化率为 2 4 变化率随着裂纹长度而变化 见图2 2b 裂纹扩展的临界条件是 此时系统能量随 的变化出现极大值 此前 裂纹扩展 其系统能量增加 即裂纹每扩展一微量所能释放的能量 裂纹每扩展一微量所需要的能量 因此裂纹不能扩展 此后 裂纹扩展其系统能量减少 即释放的能量 裂纹扩展所需要的能量 因此裂纹将继续自动扩展 导致发生脆性破坏 即 11 因此 可把看成是使裂纹扩展的推动力 而2 是裂纹扩展的阻力 当推动力 阻力时 裂纹自动扩展 当推动力 阻力时 裂纹不能自动扩展 葛里菲斯是根据玻璃 陶瓷等脆性材料推导的能量公式 在金属材料中 当裂纹扩展时 裂纹前端局部地区要发生一定的塑性变形 X射线分析证实金属断裂表面有塑性变形的薄层 奥罗万 Orowan 提出 裂纹扩展所释放的变形能不仅用于表面能 对于金属材料 更重要的是用于裂纹扩展前的塑性变形能p 则在葛里菲斯能量方程里应以 p 来代替 裂纹扩展的临界条件应为 2 5 根据试验结果 塑性变形能p比 大得多 因此 可忽略不计 裂纹扩展的临界条件 2 6 即塑性变形是阻止裂纹扩展的主要因素 由能量原理看出 结构的断裂条件不仅决定于工作应力 的大小 还取决于原始裂纹长度 这个结论和欧文 1rwin 分析裂纹前端应力应变场 考虑裂纹尖端应力集中 建立新的裂纹扩展临界条件是完全一致的 在此基础上发展了断裂力学 12 2 3金属材料脆性断裂及其影响因素2 3 1金属材料断裂的基本概念 断裂 是指金属材料受力后局部变形量超过一定限度时 原子间的结合力受到破坏 从而萌生微裂纹 继而发生扩展使金属断开 断口 断裂表面的外观形貌 它记录着有关断裂过程的许多信息 多晶体金属材料的断裂途径 可以是穿晶 沿晶断裂 混晶断裂 不同断裂机制可应用断裂方式 断裂性态 断裂形貌等术语来描述 1 方式 是指在多晶体材料中断裂路径的走向 它可以是穿晶或沿晶界的 穿晶方式可以是循解理面 滑移面或晶体学面的分离等 从宏观上看 穿晶断裂可以是延性断裂 也可以是脆性断裂 低温下的穿晶断裂 沿晶断裂则多数是脆性断裂 它是晶界上一薄层连续或不连续的脆性第二相 夹杂物破坏晶界的连续性造成的 如应力腐蚀 氢脆 淬火裂纹等均是沿晶断裂 2 性态 是表达断裂前材料的变形能力 延性是指在断裂前材料产生一定的塑性变形 脆性则指断裂前不发生或很少发生塑性变形 脆性和延性的概念是相对的 它依赖于所采用的标准和所采用的判断方法 还依赖于材料 13 3 形貌 是指用肉眼或在显微镜下在断口上所见到的现象 描述形貌的典型用词如 纤维状 人字纹 海滩波纹状 等 对应不同的断裂机制 解理断裂或剪切断裂等 它们的断裂方式 性态和断裂形貌是不一样的 通常解理断裂总是呈现脆性的 但有时在解理断裂前也显示一定的塑性变形 所以 解理断裂和脆性断裂不是同义词 前者是指断裂机制 后者则指断裂的宏观形态 14 2 3 2典型的断裂机制 一 解理断裂在正应力作用下所产生的穿晶断裂 通常沿特定晶面即解理面分离 解理断裂多见于体心立方 密排六方金属和合金中 在钢中 100面为解理面 面心立方晶体很少发生 解理断裂机制 当材料的塑性变形过程严重受阻 例如低温 高应变速率及高应力集中情况下 材料不易发生变形被迫从特定的结晶学平面 解理面 发生分离的断裂 金属中的夹杂物 脆性析出物 其他缺陷对解理裂纹的产生有重要影响 解理断裂通常呈现脆性 不产生或产生很小的宏观塑性变形 图2 3人字条纹示意图D 扩展方向O 裂源S 剪切唇R 放射条纹 宏观形貌 解理断口平齐 断口上的结晶面在宏观上呈无规则取向 当断口在强光下转动时 可见到闪闪发光的小平面为 小刻面 另外 解理断口具有人字条纹或放射状条纹 人字纹尖峰指向裂纹源 如图2 3 15 解理断口的微观形貌常出现的有河流状 舌状 扇形花样等 在河流花样中 河流汇合方向就是裂纹扩展方向 如图2 4 解理裂纹扩展所消耗的能量较小 其扩展速度 与在该介质中的纵向声波速度c0相当 例如 钢的c0 5020m s 观测到的 c0值为0 13 0 32范围 往往造成脆性断裂构件的瞬时整体破坏 图2 4解理断口的微观特征 河流状花样 图2 4解理断口的微观特征 河流状花样 一 解理断裂 16 二 剪切断裂 剪切断裂是在切应力作用下 沿滑移面的滑移方向而造成的断裂 剪切断裂分为两种情况 1 滑移或纯剪断 常发生于纯单晶体 金属在外力作用下沿最大切应力的滑移面滑移 至一定程度而断裂 2 微孔聚集型断裂 多发生于钢铁等工程结构材料 在外力的作用下 因强烈滑移 位错堆积 在局部地方常产生显微空洞 这种空洞在切应力作用下不断长大 聚集连接 并同时产生新的微小空洞 最后导致整个材料断裂 17 剪切断裂的断口宏观形貌 纤维状 颜色发暗 有滑移变形的痕迹 纯剪切断口 其断口平面与拉伸轴线成45 角 表面平滑 图2 5b 微孔聚集型断裂断口 又称杯锥状断口 杯底部分与主应力方向垂直的平断口 断口平面并非平直 而是由许多细小的凹凸小斜面组成 这些小斜面又和拉伸轴线成45 图2 5a 微观特征 韧窝状 韧窝花样的形貌在显微空洞中生核 长大和聚集过程中 与其周围的应力状态和变形均匀性有关 一般出现三种不同形状的韧窝花样 图2 6 18 三种不同形状的韧窝 微观形貌 正交韧窝形态 等轴或圆形窝 两个相匹配的断口表面上 韧窝的形状是相同的 形成原因是在拉应力作用下 最大主应力方向垂直断口的表面 并且应力在整个断口表面上的分布是均匀的 因此在垂直于主应力的杯底中心部分生核的显微空洞向各方向均匀长大 最后形成等轴韧窝 图a 剪切韧窝形态 抛物线花样 两个相匹配的断口表面上韧窝拉长方向是相反的 图b 撕裂韧窝形态 抛物线花样 但两个相匹配的断口表面上韧窝拉长方向是一致的 图c 其拉长韧窝的形成是由于显微空洞在生核和长大过程中 四周所承受的应力和变形不均匀所致 实际金属材料的断裂 由于内部及外部原因 缺陷 性能等 均较复杂 断裂常常不是单一的机制 其断口为混合形貌构成 图2 6三种不同形状的韧窝示意图a 正交韧窝b 剪切韧窝c 撕裂韧窝 另外 除面心立方材料外 所有其他点阵类型的金属材料均同时存有解理面和滑移面 当外界条件变化时 便可能由解理断裂向剪切型断裂转化 或者相反 这一点对于研究金属断裂问题是十分重要的 19 综上所述 金属材料的脆性断裂特征 除了2 1节介绍的4点外 还具有脆性断裂的断口形貌特征 即 断裂平面一般近似地垂直于板材表面 塑性变形很小 因此其厚度减少不多 一般不超过3 脆性断裂断口一般是发亮的晶粒断口 断口上常有人字纹或放射状花样 另外 脆性裂纹一般为扩展速度极快的解理裂纹 因此很难预防 20 2 3 3影响金属材料脆性断裂的主要因素 21 1 应力状态的影响 物体在受外载时 不同的截面上产生不同的正应力 和切应力 在主平面作用最大正应力 max 与主平面成45 角的平面上作用有最大切应力 max max和 max与加载方式有关 软性系数 max max表示应力状态软硬程度 式中 为泊松比 而 1 当 max max时 软性 应力状态 当 max max时 硬性 应力状态 在不同加载方式下 当 max未达到抗拉强度前 max先达到屈服点 即 max max 则发生塑性变形而形成延性断裂 反之 在 max达到屈服点前 max先达到抗拉强度 即 max max 则发生脆性断裂 因此 断裂形式与加载方式亦即应力状态有关 按最大切应力理论 max 1 2 3 按第二强度理论 单轴应力 三轴应力状态 22 图2 7为构件受均匀拉应力时 其中一个缺口根部出现高值的应力和应变集中情况 缺口越深越尖 其局部应力和应变也越大 三向应力产生机理 在受力过程中 缺口根部材料的伸长 必然引起沿宽度和厚度方向的收缩 但由于缺口尖端以外的材料受到的应力较小 引起收缩也较小 由于收缩不均匀 缺口根部收缩受阻 结果产生宽度和厚度方向的拉应力 x和 z 导致缺口根部形成三向应力状态 在三向应力情况下 材料的屈服点较单向应力时提高 即缺口根部材料的屈服点提高 从而使该处材料变脆 因此 脆性断裂事故多起源于具有严重应力集中效应的缺口处 实验证明 许多材料处于单向或双向拉应力时 呈现延性 当处于三向拉应力时 不发生塑性断裂而呈现脆性 在实际结构中 三向应力可能由三向载荷产生 但更多情况是由于结构的几何不连续性引起的 虽然整个结构处于单向或双向拉应力状态下 但其局部地区由于设计或工艺不当 往往出现局部三向应力状态的缺口效应 23 2 温度的影响 当T Tk时 b s 无缺口试件单轴拉伸时 先屈服再断裂 为延性断裂 即处于塑性状态 当T Tk 若对材料加载 在破断前只发生弹性变形 不产生塑性变形 材料呈现脆性断裂 即处于脆性状态 韧脆转变温度Tk 从一个状态向另一个状态转变的温度 Tk越低 则材料处于延性状态的温度范围越广 反之 一切促成Tk升高的因素 均将缩小材料塑性状态的范围 增大材料产生脆性断裂的趋势 因此Tk是衡量材料抗脆性破坏的重要参数 金属在高温时 具有良好的变形能力 当温度降低时 其变形能力就减小 金属这种低温脆化的性质称为 低温脆性 它是金属材料屈服点随温度降低急剧增加的结果 任何金属材料都有两个强度指标 s和 b b随温度变化很小 而 s却对温度变化十分敏感 温度降低 屈服点急剧升高 故两曲线相交于一点 交点对应的温度为Tk 韧脆转变温度 见图2 8 塑性状态 脆性状态 24 3 加载速度的影响 提高加载速度能促进材料脆性破坏 其作用相当于降低温度 原因 钢的屈服点不仅取决于温度 而且还取决于加载速度或应变速率 即随着应变速率的提高 材料的屈服点提高 在同样加载速率下 当结构中有缺口时 应变速率可呈现出加倍不利影响 由于应力集中的影响 应变速率比无缺口结构高得多 从而大大降低材料的局部塑性 这也说明为什么结构钢一旦产生脆性断裂 就很容易产生扩展现象 原因 当缺口根部小范围金属材料发生断裂时 则在新裂纹尖端处立即受到高应力和高应变的载荷 即 一旦缺口根部开裂 就有高的应变速率 而不管其原始加载条件是动载还是静载 此后随着裂纹加速扩展 应变速率更急剧增加 致使结构最后破坏 延性 脆性转变温度与应变速率的关系 图2 9 25 4 材料状态的影响 1 厚板在缺口处容易形成三向拉应力 因为沿厚度方向的收缩应力和变形受到较大限制 形成平面应变状态 而薄板材料 在厚度方向能比较自由地收缩 故厚度方向的应力较小 接近于平面应力状态 平面应变状态的三向应力使材料变脆 图2 10脆性断裂开始温度与板厚的关系 1 厚度的影响厚度对脆性破坏的不利影响可由以下两种因素来决定 2 冶金因素 一般说来 生产薄板时压延量大 轧制终了温度较低 组织细密 相反 厚板轧制次数较少 终轧温度较高 组织疏松 内外层均匀性较差 图2 10可见 钢板越厚 其低温脆性倾向越显著 26 2 晶粒度的影响晶粒直径越小其韧脆转变温度越低 如图2 11 图2 11韧脆转变温度和铁素体晶粒直径的关系 27 3 化学成分的影响 有害元素 钢中的C N O S P均增加钢的脆性 图2 12 随着含C量的增加 钢的韧脆转变温度提高 有益元素 合金元素Mn Ni可以改善钢的脆性 降低韧脆转变温度 图2 13 V Ti元素在加入量适当时 也有助于减少钢的脆性 28 2 4焊接结构特点和工艺因素对脆性断裂的影响 焊接结构脆性断裂事故的发生 除了由于材料选用不当之外 结构的设计和制造不合理也是发生脆性断裂的重要原因 在60个脆性破坏事故的实例中 有1l例是由于设计不佳所致 9例是由于焊接缺陷所致 可见 焊接结构的设计和制造在脆性断裂事故中的重要性 在设计中尽量避免和降低应力集中 并在制造过程中加强管理和检查 防止工艺缺陷 是减少和消除脆性破坏事故的重要措施 为了合理设计和制造焊接结构 必须对焊接结构的特点有充分的了解 29 2 4 1焊接结构的特点对脆性断裂的影响 1 焊接结构比铆接结构刚度大焊接为刚性连接 连接构件不能产生相对位移 而铆接则由于接头有一定相对位移的可能性 而使其刚度相对降低 在工作条件下 足以减少因偶然载荷而产生附加应力的危险 在焊接结构中 由于在设计时没有考虑到这一因素 往往能引起较大的附加应力 特别是在温度降低而材料的塑性变坏时 这些附加应力常常会造成结构的脆性破坏 附加应力的例子 1947年12月 原苏联曾发生几个4500m3储油器的局部脆性断裂事故 温度不均所造成的附加应力是这些储油器破坏的重要原因 当大气温度下降到 42 后 一方面由于材料本身的塑性降低 另一方面由于容器的内外温度不同 底部和筒身的温度不一样 筒身的向风面与背风面的温度也有差别 在筒身就形成复杂的附加应力场 因而造成结构的破坏 30 另外 焊接结构比铆接结构刚度大 所以对应力集中特别敏感 如果设计中采用应力集中系数很高的搭接接头 或采用骤然变化的截面 当温度降低时 结构就有发生脆性断裂的危险 美国 自由轮 当采用铆接结构时 虽然应力集中很大 但并未发生过脆性破坏事故 而在采用焊接结构后 却发生了一系列脆性破坏事故 研究发现 除材料选用不当外 船体设计不合理也是造成其破坏的重要原因之一 图a最初设计由于拐角处为一尖角 应力集中很大 图b改进后的设计由于采用圆滑过渡的拐角 应力集中得到缓和 改进后的设计承载能力增加到1 4倍 而所需破坏能量增加25倍 图2 14 自由轮 甲板舱口设计对比a 最初设计b 改进后设计 31 2 焊接结构具有整体性 这一特点为设计制造合理的结构提供了广泛的可能性 因此整体性强是焊接结构的优点之一 但是如果设计不当 或制造不良 这一优点反而可能增加焊接结构脆性断裂的危险 因为由于焊接结构的整体性 它将给裂纹的扩展创造十分有利的条件 当焊接结构工作时 一旦有不稳定的脆性裂纹出现 就有可能穿越接头扩展至结构整体 而使结构整体破坏 而铆接结构 当出现不稳定的脆性裂纹后 只要扩展到接头处 就可自然止住 避免更大灾难的出现 因此在某些大型焊接结构中 有时仍保留少量的铆接接头 例如 在一些船体中 甲板与舷侧顶列板的连接就是采用铆接连接 32 2 4 2焊接结构制造工艺的特点对脆性断裂的影响 焊接过程可给焊接结构的接头带来如下一些不利的影响 1 两类应变时效引起的局部脆性2 焊接接头金相组织改变对脆性的影响3 焊接缺陷的影晌4 焊接残余应力的影响 33 1 两类应变时效引起的局部脆性 在焊接结构制造过程中 一般包括切割 冷热成形 剪切 弯曲 矫正等 焊接等工序 其中一些工序可能提高钢材韧 脆转变温度 使材料变脆 1 在焊接结构生产过程中的剪切 冷作矫形 弯曲等 经过冷加工产生一定的塑性变形 随后又经160 450 温度范围的加热就会引起应变时效 导致脆化 2 在焊接时 近缝区某些刻槽 即缺口尖端附近或多层焊道中已焊完焊道中的缺陷附近 金属受到热循环和热塑变循环 150 450 的作用 产生焊接应力 应变集中 导致较大的塑性变形 引起应变时效 称为动应变时效 热应变脆化 钢的应变时效定义 塑性变形时或变形后 固溶状态的间隙溶质 C N 与位错交互作用 钉扎 位错阻止变形的物理本质 从而导致强度提高 韧性下降的力学冶金现象 34 许多碳 锰低强度结构钢对应变时效脆化比较敏感 它将大大降低钢材的塑性 提高材料的韧 脆转变温度 促进焊接结构的脆性破坏 应变时效导致焊接结构脆性破坏的实例很常见的 例如 某储油罐的脆性破坏事故 破坏始于罐体和底板的连接处 扩展后达到顶部 检查后表明 这种钢材对应变时效非常敏感 离钢材剪切边缘不同距离处缺口韧性有急剧的变化 钢板本身的转变温度为 8 但距剪切边缘6mm处 转变温度为 53 距剪切边缘20mm处为 36 主要原因 剪切引起冷作应变 随后进行的焊接工序引起应变时效所致 因此 该对焊接接头的应变时效区应充分注意 应变时效 35 试验结果 以冷弯变形 20 预弯 试件的转变温度为最低 而250 预弯的转变温度为最高 焊后热处理 550 650 可以消除两类应变时效对低碳钢和一些合金结构钢的影响 恢复其韧性 因此 对应变时效敏感的钢材 焊后热处理不但可以消除焊接残余应力 而且可以消除应变时效的脆化影响 对防止结构脆性断裂是有利的 图2 15不同温度下预应变对COD值的影响1 母材2 20 预弯 250 下时效1 2h3 150 预弯4 350 预弯5 250 预弯 对比两类应变时效 动应变时效对脆性的影响往往更为不利 图2 15是某碳 锰钢在不同温度下预应变对断裂时COD值 裂纹张开位移 的影响 试验分4组进行 一组是在20 下预弯 再在250 下时效1 2h 模拟冷变形引起的应变时效 其他三组试件分别在150 250 和350 下热弯 模拟动应变时效 所有试件的预弯处理是先使缺口张开约0 1mm 然后向里弯曲到原来尺寸 动应变时效 36 2 焊接接头金相组织改变对脆性的影响 焊接过程是一个不均匀的加热过程 在快速加热和冷却的条件下 使焊缝和近缝区发生了一系列金相组织的变化 因而改变接头部位的缺口韧性 图2 16 该接头的焊缝和热影响区具有比母材高的转变温度 所以 它们成为焊接接头的薄弱环节 图2 16某碳 锰钢焊接接头不同部位的COD试验结果1 母材2 母材热应变时效区3 细晶粒热影响区4 粗晶粒热影响区5 焊缝 37 案例 日本德山球形容器的脆性断裂事故是由于采用过大的焊接热输入 该容器采用HT80高强度钢焊接 板厚为30mm 焊后进行水压试验时破裂 按工艺规定 应采用的焊接热输入为48kJ cm 但由于冬季施工 焊接时采用的预热温度偏高 焊接热输入也偏大 分析表明 脆性断裂起源点的焊接热输入为80kJ cm 大大超过规定的热输入 致使焊缝和热影响区的韧性显著降低 图2 17不同焊接热输入对某碳 锰钢焊接接头的热影响区冲击吸收功的影响 对于确定的钢种和焊接方法 热影响区的显微组织主要取决于焊接热输入 因此 合理地选择焊接热输入是十分重要的 尤其是对高强度钢 实践证明 高强度钢 过小焊接热输入易造成淬硬组织而引起裂纹 过大焊接热输入又易造成晶粒粗大和脆化 降低其韧性 图2 17 随着焊接热输入的增加 该区的韧 脆转变温度相应地提高 增加脆性断裂危险性 可采用多层焊 以适当的焊接参数焊接 减小焊接热输入 获得满意的韧性 2 焊接接头金相组织改变对脆性的影响 续 38 3 焊接缺陷的影晌 在焊接接头中 焊缝和热影响区最容易产生各种缺陷 据调查 40 的脆性断裂事故是从焊缝缺陷处开始的 焊接缺陷 裂纹 未焊透 夹渣 咬边 气孔等 都可成为脆性断裂的发源地 吉林某液化石油气厂的球罐破坏事故 断裂的发源地就在焊缝的焊趾部位 焊接缺陷都是应力集中部位 尤其是裂纹 裂纹的影响程度不但与其尺寸 形状有关 而且与其所在部位有关 如果裂纹位于高值拉应力区就容易引起低应力破坏 若在应力集中区 如压力容器接管处 产生焊接缺陷就更加危险 所以 最好将焊缝布置在应力集中区以外 39 4 焊接残余应力的影响 焊接过程存在的不均匀温度场 因而冷却后结构中必然产生焊接残余应力 根据日本的大板试验 当工作温度 材料的韧 脆转变温度时 拉伸残余应力对结构的强度无不利影响 当工作温度 材料的韧 脆转变温度时 拉伸残余应力对结构的强度有不利影响 拉伸残余应力将和工作应力叠加共同起作用 在外加载荷很低时 发生脆性破坏 即低应力破坏 拉伸残余应力具有局部性质 它只限于在焊缝及其附近部位 离开焊缝区其值迅速减小 所以 此峰值拉伸残余应力有助于断裂的产生 随着裂纹的增长离开焊缝一定距离后 残余应力急剧减小 当工作应力较低时 裂纹可能中止扩展 当工作应力较大时 裂纹将一直扩展至结构破坏 40 裂纹穿过两平行焊接接头的开裂路径 图2 18 由于焊缝距离近 所以两平行焊缝间的残余应力为拉应力 在试件上有一个较宽的残余拉应力区 因此 在40 2MPa的均匀拉应力下脆性开裂穿过整个试件的宽度 图2 19 焊缝间有较大的残余压应力 因此 在29 4MPa平均应力下 裂纹在压应力区中拐弯并停止 图2 18近距离平行焊接接头试件的开裂路径和纵向残余应力分布a 残余应力分布图b 试件图 41 残余应力对脆性断裂裂纹扩展方向的影响 图2 20 若试件未经退火 试验时也不施加外力 冲击引发裂纹后 裂纹在残余应力作用下 将沿平行焊缝方向扩展 N30W 3 随着外加应力的增加 开裂路径越来越接近与外加应力方向垂直的试件中心线 如果试件残余应力经退火完全消除 则开裂路径与试件中心线重合 N30WR 1 42 2 5焊接结构防脆性断裂设计原则及相关的评定方法2 5 1焊接结构防脆性断裂的设计准则 焊接结构脆性断裂是瞬时完成的 但它仍是由两个阶段组成 即在结构某个部位 例如焊接或冶金缺陷处 焊接冷 热裂纹 咬边 未焊透等 首先产生一脆性裂纹 即不稳定裂纹 裂纹的产生 然后该裂纹以极快的速度扩展 部分或全部地贯穿结构件 造成脆性失效 裂纹的扩展失稳扩展的裂纹在一定条件下可能停止下来 即止裂 例如 当裂纹进入拉应力较低的区域 没有足够的能量来维持裂纹进一步扩展 或者裂纹进入到韧性较好的材料 或同一材料 但温度较高 韧性增加 受到较大的阻力 无法继续扩展 材料都有脆性裂纹引发的临界温度即开裂温度 止住裂纹扩展的止裂温度 开裂和止裂温度的高低可用来衡量材料的抗开裂性能和止裂性能 即开裂和止裂的临界温度越低 材料的抗开裂性能和止裂性能就越好 一般来说 对应变速率敏感的材料 如C Mn型中低强度钢 其抗开裂性能的转变温度 止裂性能的转变温度 对于高强度钢由于它对应变速率不敏感 其开裂和止裂温度相差不多或相同 但是在任何情况下 止裂转变温度不会低于 它的开裂转变温度 43 脆性断裂是由两个阶段组成 因此防止结构发生脆性破坏有两个设计准则 一 防止裂纹产生准则 开裂控制 二 止裂性能准则 扩展控制 前者是要求焊接结构最薄弱的部位即焊接接头处 具有抵抗脆性裂纹产生的能力 即抗开裂能力 后者要求如果在这些部位产生了裂纹 其周围材料应具有将其迅速止住的能力 后者比前者要求苛刻些 开裂控制 国际焊接学会于20世纪70年代提出 防止焊接结构脆性破坏事故 主要着眼点应放在焊接接头的抗开裂能力上 即开裂控制 并以此作为设计依据 扩展控制 对于中低强度钢 由于残余应力的作用 脆性裂纹一旦产生 一般向母材方向扩展 因此 要求母材具有一定的止裂性能 近年来 焊接接头各部分 如焊缝 的止裂性能又受到人们的重视 因为在高强度钢种的应用日益增多 由于焊接残余应力作用的减弱 或工作应力的提高以及焊接冶金因素等原因 接头中的裂纹完全有可能沿焊缝方向扩展 最后造成结构破坏 因此 要求焊缝或接头各部位具有止裂能力 防脆性断裂的两个设计准则 44 2 5 2断裂的评定方法 1 转变温度方法 本书采用的方法 即确定材料的韧 脆转变温度特性 2 断裂力学方法用KIC c JIC等力学指标 作为安全设计的依据 2 5 3典型试验方法介绍1 抗开裂性能试验反映裂纹产生前韧度参量指标的试验 2 止裂性能试验测量脆性裂纹产生后韧性指标的实验 45 2 6防止焊接结构发生脆性断裂的途径 造成结构脆性断裂的基本因素 1 材料在工作条件下韧性不足 2 结构上存在严重的应力集中 设计上或工艺上 3 过大的拉应力 工作应力 残余应力和温度应力等 有效地减少或控制其中某一因素 结构发生脆性断裂的可能性可显著降低或排除 防止结构脆性断裂的三个途径 1 正确 合理地选用材料2 采用合理的焊接结构设计3 合理安排结构制造工艺 46 2 6 1正确 合理地选用材料 基本原则 既要保证结构的安全使用 又要考虑经济效果 应使所选用的钢材和焊接用材料保证在使用温度下具有合格的缺口韧性 即要保证结构在工作条件下 焊缝 热影响区 熔合区等薄弱部位具有足够的抗开裂性能 也要使母材具有一定的止裂性能 另外 在选材时还要考虑材料费用和结构总体费用的对比关系 当某些结构材料费用与结构整体费用相比所占比重很少时 选用优良韧性材料是值得的 而对一些结构 材料费用是结构的主要费用时 就要对材料费用和韧度要求之间的关系作详细的对比 分析研究 另外 选材时还要考虑到一旦结构断裂其后果的严重性 实验方法 通常采用夏比冲击试验方法进行材料的选择和评定 冲击试验是在不同温度下对一系列试件进行试验找出其韧 脆性特性与温度的关系 常用的有夏比V形和夏比U形缺口冲击试验 目前多采用夏比V形缺口冲击试验 由于冲击试验方法简单 试件小 容易制备 费用低 不论作为材料质量控制 还是事故分析研究 各国普遍采用 47 2 6 2采用合理的焊接结构设计 设计有脆性断裂倾向的焊接结构 注意以下几个原则 1 尽量减少结构或接头部位的应力集中 2 尽量减少结构的刚度 3 不采用过厚截面 4 重视附件或不受力焊缝的设计 48 1 尽量减少结构或接头部位的应力集中 1 在一些构件截面改变的地方 必须设计成平缓过渡 不要形成尖角 图2 38 图2 38尖角过渡和平滑过渡的接头a 不可采用b 可以采用 图2 39封头设计时合理与不合理的接头a 不合理b 合理 2 在设计中应尽量采用应力集中系数小的对接接头 尽量避免应力集中大的搭接接头 图2 39a设计不合理 而图b由于减少焊缝处应力集中 承载能力大大提高 试验表明 断裂从焊缝以外开始 49 3