第六章 焊接结构脆性断裂.ppt

第六章焊接结构脆性断裂,脆性断裂的性质：没有明显的塑性变形，破坏具有突发性焊接结构刚度较大，裂纹扩展至整个结构发生脆断时平均应力比材料的屈服极限和设计许用应力小得多，是低应力破坏,引言,第六章焊接结构脆性断裂,脆性断裂发生的条件：结构在低温下工作结构中存在焊接缺陷焊接残余应力对脆断产生了严重影响材料性能劣质结构设计不合理,引言,第六章焊接结构脆性断裂,引言,第六章焊接结构脆性断裂,6-1材料断裂及影响因素,一、断裂分类及特征1.按塑性变形大小:延性断裂和脆性断裂2.从“合于使用”原则出发s线弹性断裂s弹塑性断裂s韧带屈服断裂s全面屈服断裂3.从断裂的机制来说:解理断裂、剪切断裂,第六章焊接结构脆性断裂,6-1材料断裂及影响因素,第六章焊接结构脆性断裂,6-1材料断裂及影响因素,解理断裂：低温、高应变速率及高应力集中情况下，材料的塑性变形严重受阻，材料不能以形变方式而是以分离顺应外加应力。,第六章焊接结构脆性断裂,6-1材料断裂及影响因素,剪切断裂：在剪应力作用下，沿滑移面形成的断裂，可分为纯剪切断裂和微孔聚集断裂。,第六章焊接结构脆性断裂,6-1材料断裂及影响因素,二、影响脆断的因素1.温度2.应力状态3.加载速度4.残余应力5.板厚6.材料因素,第六章焊接结构脆性断裂,6-1材料断裂及影响因素,1.温度影响:是造成材料脆性断裂的重要因素。温度降低屈服极限升高晶粒滑移困难形成裂纹的表面能降低,第六章焊接结构脆性断裂,6-1材料断裂及影响因素,2.应力状态影响单轴拉伸状态三轴拉伸1=2=3,第六章焊接结构脆性断裂,6-1材料断裂及影响因素,3.加载速度影响（应变速率）加载速度增加：材料屈服极限增加，抗拉强度提高材料来不及塑性变形和滑移，位错摆脱束缚进行滑移所需激活时间减小，结构存在缺口，由于缺口处存在应力集中，应变速度比无缺口高的多。,第六章焊接结构脆性断裂,6-1材料断裂及影响因素,4.残余应力影响脆性断裂一般在拉伸应力场中产生和扩展焊缝及近缝区通常存在高的残余拉伸应力该区也是材料性能发生变化的区域，容易成为脆性断裂的起源。,第六章焊接结构脆性断裂,6-1材料断裂及影响因素,5.板厚影响：板厚增加，塑性变形抗力增加，由平面应力状态向平面应变状态转变,第六章焊接结构脆性断裂,6-1材料断裂及影响因素,6.材料因素晶粒度小，晶界面积增大，晶界上夹杂物浓度下降，使脆性转变温度降低。在材料的轧制及加工过程中，晶粒出现拉长或出现线状及带状的夹杂物，造成材料产生各向异性，对材料的脆断温度产生影响。,第六章焊接结构脆性断裂,6-1材料断裂及影响因素,三、脆性和延性断裂裂纹产生和扩展首先在缺陷尖端或应力集中处产生裂纹，然后以一定形式扩展。区域：温度低，裂纹以解理机制产生。区域：温度升高，裂纹产生所需能力提高，裂纹以解理和剪切混合机制产生。区域：纯剪切机制。,第六章焊接结构脆性断裂,6-1材料断裂及影响因素,裂纹产生和扩展之间关系图,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,断裂评定方法可分为抗开裂性能试验转变温度评定方法：冲击试验；宽板拉伸试验（静载）；尼伯林克试验（动载）断裂力学方法。止裂性能试验罗伯逊试验（ESSO）；落锤试验；动态撕裂试验；双重拉伸试验。,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,一、转变温度（缺口韧性指标）概念温度降低，s上升速率大于f上升速率，两线交点对应温度Tk称为韧脆转变温度，当TTk时，fs，材料尚未达到屈服极限就已达到断裂强度，即材料无塑性变形而产生脆断。分为：塑性断裂转变温度FTP；弹性断裂转变温度FTE；无延性转变温度NDT；断口形貌转变温度Tf；止裂转变温度Ta。,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,二、转变温度评定方法1.冲击试验试验设备简单，试样制备和试验程序简单。试验结果具有一定的局限性，不能用于高强度结构钢：因试样未考虑材料厚度，同时加载速率与实际结构受力情况出入较大。,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,1.冲击试验评定方法：能量准则：以冲击断裂功k值降低到某一特定数值的温度作为临界温度Tk。断口形貌准则：按断口中纤维状区域与结晶状区域某一相对面积对应的温度来确定延性准则：按断口在缺口根部横向相对收缩变形急剧降低的温度来作为临界转变温度Tk。,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,冲击试样,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,2.威尔斯宽板拉伸试验在实验室里再现低应力脆性断裂开裂情况，同时又能在板厚、焊接工艺、焊接残余应力、整体尺寸、裂纹部位、焊接热循环方面模拟实际结构。用于确定临界转变温度。这种方法不仅用来研究脆性断裂理论，而且也用来作为选材的方法。,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,威尔斯宽板拉伸试验试样,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,尖锐缺口和残余应力对断裂强度的影响,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,3.尼伯林克试验采用逐步增加高度多次冲击，这样比一次加载更接近于实际结构破坏情况。即每一次冲击都在缺口尖端产生一定的塑性变形，当此变形超过一定数值时发生破坏。同时由于每一次冲击都有一部分能力将进一步使缺口尖端产生塑性变形，反映了缺口尖端加工硬化的作用。,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,尼伯林克试样,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,三、止裂性能试验方法罗伯逊试验（ESSO）落锤试验动态撕裂试验双重拉伸试验,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,1.罗伯逊试验（ESSO）,确定脆性裂纹在钢板中扩展的应力和温度的临界条件,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,罗伯逊试验典型温度应力关系曲线图,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,2.落锤试验测定厚度大于16mm钢板的NDT(无塑性转变温度)的试验方法，可替代大型止裂试验研究材料的止裂性能，其缺点是试样尺寸不能反映大型焊接结构的尺寸效应和较大拘束效应对热敏感的合金材料难以使用。,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,落锤试验试样,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,断裂分析图,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,2.动态撕裂试验确定材料断裂韧性全范围的试验方法，属于大型冲击试验。除了确定NDT温度之外，还能确定最高塑性断裂温度及相应的冲击功。适用于高强钢及厚板和特厚板焊接结构。,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,动态撕裂试验试样,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,四、断裂力学评定方法某些材料的脆性转变温度不明显转变温度方法的试验结果往往受板厚、材料的强度等级、冶金因素、载荷及加载速度的影响转变温度方法未能建立许用应力和缺陷尺寸之间可靠的定量关系,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,测定KC试验三点弯曲试样,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,KC试验载荷-位移图,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,厚度对KC影响,第六章焊接结构脆性断裂,6-2断裂评定方法,加载速度对KC影响,第六章焊接结构脆性断裂,6-3焊接结构设计及制造工艺特点对脆断因素,一、焊接结构的整体性及大刚度引起较大的附加应力，焊接为刚性连接，连接构件之间不易产生相对位移对应力集中因素特别敏感一旦有不稳定脆性裂纹出现，很可能会穿越接头扩展至整个结构,第六章焊接结构脆性断裂,6-3焊接结构设计及制造工艺特点对脆断因素,船舶舱口设计,第六章焊接结构脆性断裂,6-3焊接结构设计及制造工艺特点对脆断因素,船舶舱口设计,第六章焊接结构脆性断裂,6-3焊接结构设计及制造工艺特点对脆断因素,二、焊接结构制造工艺的影响应变时效引起局部脆化焊接线能量造成材料性能变化焊接缺陷的影响角变形和错边焊接残余应力,第六章焊接结构脆性断裂,6-3焊接结构设计及制造工艺特点对脆断因素,应变时效引起局部脆化人工时效：钢材在剪切、冷作、弯曲成型之后，如果在150450范围内加热，材料性能会产生脆化，即产生应变时效。动应变时效：材料在热循环和热塑性变形循环的作用下，在缺陷处和产生较严重的应变集中，具有较大的热应变量，降低了材料的延性。,第六章焊接结构脆性断裂,6-3焊接结构设计及制造工艺特点对脆断因素,CF-60钢母材应变时效冲击试验结果,第六章焊接结构脆性断裂,6-3焊接结构设计及制造工艺特点对脆断因素,CF-60钢焊缝应变时效冲击试验结果,第六章焊接结构脆性断裂,6-3焊接结构设计及制造工艺特点对脆断因素,CF-60钢热影响区应变时效冲击试验结果,第六章焊接结构脆性断裂,6-3焊接结构设计及制造工艺特点对脆断因素,焊接线能量造成材料性能变化在焊接热循环作用下，焊缝及近缝区的组织会发生一系列的变化，使接头各部位的缺口韧性不同。过小的线能量，引起淬硬组织，易产生裂纹；过大的线能量，使晶粒粗大，造成韧性降低。,第六章焊接结构脆性断裂,6-3焊接结构设计及制造工艺特点对脆断因素,裂纹尖端焊接热应力循环有限元分析,第六章焊接结构脆性断裂,6-3焊接结构设计及制造工艺特点对脆断因素,裂纹尖端焊接热应变循环有限元分析,第六章焊接结构脆性断裂,6-3焊接结构设计及制造工艺特点对脆断因素,焊接缺陷的影响与缺陷形成的应力集中及缺陷附近材料性能有关。其影响程度与缺陷的性质、尺寸、形状及部位有关，其中裂纹、未焊透等影响最为严重平面缺陷裂纹、分层、未焊透非平面缺陷气孔、夹渣,第六章焊接结构脆性断裂,6-3焊接结构设计及制造工艺特点对脆断因素,角变形和错边的影响产生附加弯曲力矩和新的应力应变集中，在拉伸载荷和附加弯曲力矩的共同作用下，易造成接头破坏。,第六章焊接结构脆性断裂,6-3焊接结构设计及制造工艺特点对脆断因素,焊接残余应力的影响脆性断裂一般总是拉伸应力场中产生和扩展。在焊接接头中，焊缝和近缝区通常存在高的残余拉伸应力，同时也是材料性能发生变化的区域，加上焊接缺陷的集中和热应变时效脆化的影响，极易成为脆性裂纹的起源。,第六章焊接结构脆性断裂,6-4预防焊接结构脆性断裂的措施,一、防止裂纹发生和阻止裂纹扩展原则防止开裂原则：适用承受静载或压力变化缓慢的压力容器及一般结构。止裂原则：设计的结构在可能出现最低温度下工作，必须能阻止裂纹自由扩展。用阻止脆性裂纹扩展的相应临界转变温度来选择合适的结构材料。,第六章焊接结构脆性断裂,6-4预防焊接结构脆性断裂的措施,断裂应力与温度的关系,第六章焊接结构脆性断裂,6-4预防焊接结构脆性断裂的措施,断裂应变与温度的关系,第六章焊接结构脆性断裂,6-4预防焊接结构脆性断裂的措施,二、预防焊接结构脆断措施采用合理的结构设计正确选用材料严格执行制造工艺和质量监督,第六章焊接结构脆性断裂,6-4预防焊接结构脆性断裂的措施,典型结构设计比较,第六章焊接结构脆性断裂,6-4预防焊接结构脆性断裂的措施,典型结构设计比较,第六章焊接结构脆性断裂,6-4预防焊接结构脆性断裂的措施,正确选用材料材料费用和结构总体费用对比断裂韧度值与材料其它性能相比的重要性断裂后果的严重性材料屈服点和焊接性,第六章焊接结构脆性断裂,6-4预防焊接结构脆性断裂的措施,宽板试验与V形缺口试验转变温度的关系,第六章焊接结构脆性断裂,6-4预防焊接结构脆性断裂的措施,严格执行制造工艺和质量监督严格按规定的工艺参数施工，禁止使用过大的线能量较强质量检验，及时消除严重缺陷尽可能利用焊接工夹具和机械化装置进行施工对于重要的和危险的结构应通过试验决定是否需要焊后热处理,第六章焊接结构脆