国焊新--1.2.19--脆性断裂

钢焊接时裂纹的形成IWE-1/2.20吕迎,验证一个结构的安全性是强度计算的任务，而其中要提出的问题是构件是以什么形式“失效”的。,1.引言,构件失效的主要原因：a)一般性变形b)失稳（受力构件丧失保持稳定平衡的能力）c)开裂及断裂,传统强度计算：,(S235),构件受到外界载荷的作用就会在内部引起内应力。内应力：正应力、剪应力,2.断裂形式,a)疲劳断裂变动载荷、大约80%b)韧性断裂(剪切断裂)断裂前发生塑性变形，裂纹扩展较慢。c)正应力断裂(脆性断裂)正应力断裂强度。断裂前没有明显的塑性变形。,据断裂形式的不同分为：,图1韧性断裂,图2脆性断裂,断裂分类及其特征,韧性断裂,脆性断裂,9Cr2Mo工作辊脆断,金属的脆性断裂通常指沿一定结晶面劈裂的解理断裂或晶界断裂。脆断的基本特征1）脆断由正应力引起，几乎没有塑性变形；2）脆断时所需能量小，属于低应力破坏；3）裂纹扩展速度快（可达1800km/s），具有突发性，措不及防；4）脆断对温度条件敏感，即所谓的金属冷脆现象；,解理断裂（穿晶断裂）,晶界断裂（沿晶断裂）,河流花样,冰糖状花样,桥梁工况：冬季寒风、超载重载车辆、伴随较强振动（冲击性）；舰船工况：冰雪季节、动荡加载或与冰块频繁撞击；压力容器工况：承受高压载荷、内部装载低温介质或裸露在低温环境。工况特点：低温、高应力（集中）、动载荷！制造这类产品时，应高度重视！,易发生脆断的几种典型结构,3.1影响脆性断裂倾向的因素,1)内部影响因素a.晶体结构、化学成分体心立方存在低温脆性（普通中、低强钢）面心立方一般不存在低温脆性（Ni、奥氏体不锈钢）b.冷变形、时效、焊接等,图3变形储量的图示,a)温度的影响当温度降低时，屈服应力与断裂应力汇交处所对应的温度或温度区间，被称为材料从延性转化为脆性转变的温度，称临界温度(T脆)。,2)脆断外部三因素,Tspc,断裂应力,屈服极限,剪切应力,T1：经塑性变形后的剪切断裂T2：经塑性变形后的断裂T脆：Ty无塑性变形，脆断,T，脆断,图4温度对脆断倾向的影响,b)加载速度d/dtd/dt，T脆，脆断,2)脆断外部三因素,图5变形速度对脆断倾向的影响,载荷的冲击性越大，即加载速度d/dt越大，对工件的危害也就越大！这使我们不难理解为什么采用落锤试验研究材料的抗脆断性能！,c)载荷形式和大小（应力状态）,2)外部三因素,单轴拉伸应力双轴拉伸应力多轴拉伸应力,呈现塑性,呈现脆性,图6应力状态对脆断倾向的影响,断裂应力,单轴拉伸,多轴拉伸,软性系数=max/max的大小表示材料在受力状态下发生塑性变形的难易程度。,（按最大切应力理论）,max=1(2+3),（按第二强度理论）,物体在受外载时，不同的截面上产生不同的正应力和剪应力。最大正应力max所在平面称主平面，与主平面成45角的平面上作用有最大切应力max。,c)载荷形式和大小（应力状态）,max和max与加载方式有关，,泊松比，而123,1,2,tk,tT,SOT,力学应力状态图,max,max,SOT正断抗力；tT剪切屈服极限；tK剪断抗力,值，塑性变形；值，脆断单轴拉伸=0.5三轴不等轴拉伸0.5三轴等轴拉伸=0很难变形，发生断裂必然为脆断引起三轴拉伸原因：三向载荷；几何不连续性：缺口、裂纹、厚板易出现三向应力状态,直线1与tk相交韧性断裂直线2与SOT相交脆性断裂,软性系数=max/max,缺口根部应力分布示意图,3.1影响脆性断裂倾向的因素,深入理解：温度条件是引发金属脆断的前提促成脆性转变！应力状态是决定断裂性质的天平基于载荷形式！加载速度则是促成脆断的导火索胜似雪上加霜！,2)外部三因素温度条件、应力状态、加载速度,4.脆断倾向的检验方法4.1检验方法的构成检验时考虑：温度、应力的状态、载荷速度有两种评定脆性断裂安全性的理论：对静载和冲击载荷通过消除裂纹进行保证；对作用速度较高载荷通过防止裂纹扩展来保证；出于上述要求可分为三种试验方法：静载消除裂纹动载消除裂纹止裂,防止已存在的裂纹突然扩展,材料止裂能力,整体试验（在构件上试验）大型试验（与构件尺寸相近的试样）中型试验（宽度明显大于厚度的试样）小型试验（其结果只能偶然与构件行为相一致）,4.脆断倾向的检验方法,图8典型试验的试样形式(试样厚度板厚),焊缝上开尖锐缺口,常用大型试验方法：Robertson试验双重拉伸试验ESSO试验宽板拉伸试验深缺口试验中型试验方法：冲击韧性试验缺口静弯试验撕裂试验落锤试验等,4.2常用的检验方法对理想的检验方法的要求是：较小的检验费用适用于较多的材料定量的结果检验结果对典型构件载荷的适用性检验方法可分如下两组：a)转变温度方法确定材料的韧-脆转变温度（比较性方法）缺口拉伸试验缺口冲击试验堆焊弯曲试验罗伯森（Robertson）试验b)断裂力学方法指与试样几何形状无关的材料特性值，临界应力集中系数KIC，作为安全设计的依据。,4.2.1拉伸试验通过拉伸试验的特性值可以说明材料的脆断倾向。特性值包括：ReH、Rm、A、Z。4.2.2堆焊弯曲试验轧制产品应在这一试验中表现为韧性断裂。脆断表现：焊缝中出现的裂缝不能在试样中中止。在弯曲角度达到90时，裂纹由焊缝向母材中的扩展小于20mm被认为是允许的。,图10根据DIN17100的堆焊弯曲试验,4.2.3缺口冲击试验检验脆断倾向的最常用的方法。优点：加工简便，经济和快捷。,多轴应力状态、变形速度、温度对脆断倾向的影响通过缺口冲击试验参数的变化：如试样的几何形状、冲击速度、试验温度的变化来检验,图11弹性弯曲试样缺口正应力的分布,确定某一温度下的冲击功：A=Fds(J)V,通过缺口冲击试验表示出某种材料在某一温度下相对脆断的安全性,4.2.3缺口冲击试验,图12转变温度,过渡温度(转变温度)：韧性脆性T，脆性,4.2.3缺口冲击试验,裂纹引入：+区：弹性区（脆断或塑性变形）：弹塑性区裂纹扩展：区a：剪应力断裂b：正应力断裂c：剪应力断裂,图13低强度钢在混合断裂区的力弯曲图,4.2.4罗伯森（robertson）止裂试验与构件相似的试样上采用静动结合方式,(1)梯度试验在试样长度上保持一个温度梯度，在试样上较热部分出现的塑性变形在某一温度上就会停止，表现为脆断。(2)等温试验将整个试样冷却到某一温度并在不同温度下进行多次试验来确定材料尚能止裂的温度。,图14罗伯森试样,(50-80%)s,4.2.5Pellini落锤试验在研究钢的脆断倾向，评定比较止裂行为时使用的。,图15Pellini试样的布置及试样尺寸,韧性转变温度：在某一温度下试样尚发生断裂，当温度提高5K时，相同材料和相同处理状态的试样不再发生断裂对应的温度。,衡量材料止裂行为的一个特性值。,落锤试验优点：比较符合焊接结构实际情况，试样制备简单、操作方便，重复性好，故被广泛应用,在Pellini试验中或者是证明材料的NDT温度低于或最高等于某一确定的温度，或者是确定精确的NDT（无韧性转变温度）温度（试验和评定按标准或规程如ASSTM-E208，钢铁检验规程1325，AVSE76A/15BAVSD16C1000）根据大量的已确定的NDT温度和比较试验由Pellini建立了断裂曲线（Fracture-Analysis-DiagramFAD）断裂分析曲线可评估在一定载荷下裂纹的扩展。,4.2.5Pellini落锤试验,a)TNDT不能保证止裂b)T=NDT+16.5只要公称应力0.5Re，裂纹中止c)T=NDT+33=FTE只要公称应力Re无裂纹扩展T=NDT+66=FTP材料无裂纹存在止裂温度曲线应力低于该曲线，裂纹不扩展,NDT无韧性转变温度FTE弹性断裂转变FTP塑性断裂转变,Pellini断裂分析曲线（适用于Re600N/mm2的碳钢）明确提供了钢板开裂、裂纹传播、止裂条件,100/200,200/300,300/600,材料基础部分总复习一、关于铁碳状态图包晶反应:1493(1495)L+共晶反应:1147(1148)L=+Fe3C（莱氏体）共析反应:723(727)=+Fe3C(珠光体)纯铁三种同素异构转变(1)GS线奥氏体中开始析出铁素体（降温时）或铁素体全部溶入奥氏体（升温时）的转变线，常称此温度为A3温度。(2)ES线碳在奥氏体中的溶解度曲线。常称此温度为Acm温度。(3)PQ线碳在铁素体中的溶解度曲线。在727时，碳在铁素体中的最大的w(C)为0.0218。,-Fe-Fe-Fe体心立方面心立方体心立方,-27391213941538,铁碳合金七种类型工业纯铁C0.0218%亚共析钢C=0.0218%-0.77%共析钢C=0.77%过共析钢C=0.77%-2.11%共晶白口铸铁C=4.3%亚共晶白口铸铁C=2.11%-4.3%过共晶白口铸铁C=4.3%-6.69%,一、关于铁碳状态图,二、关于合金元素在铁中作用1.伴生元素有益：MnSiAl有害:SPONH2.与铁形成固溶体类型置换固溶体:MnCrNiSiMo间隙固溶体:COBN3.合金元素对钢的性能C提高硬度、强度、耐磨性、淬透性；降低韧性、延伸率、机加工性、焊接性、深冲性。Al脱氧脱氮细化晶粒Mn脱氧、脱硫、固溶强化Si脱氧、固溶强化、阻碍有些元素偏析P偏析较强（热裂纹）、提高强度、降低可焊性、耐腐蚀S偏析较强（热裂纹）、降低可焊性、易切削形成碳化物的元素VTiNbCrMoW,三、关于钢中脱氧沸腾钢:MnSi脱氧特点:表面纯偏析气孔（FU）镇静钢:Mn-0.15%Si加少量的Al脱氧（FN）特别镇静钢:Mn-0.2%Si-0.02%Al脱氧（FF）四、关于材料热处理(1)正火：Ac3或Acm+（3050），空泠作用：细化晶粒、消除组织缺陷、消除应力(2)退火：缓慢冷却接近平衡组织作用：同正火，但正火更细、强度和硬度高于退火(3)淬火：Ac1或Ac3+（3050）水淬或油淬作用：提高钢的强度、硬度。(4)回火：淬火组织平衡组织作用：稳定组织、消除淬火内应力、提高综合机械性能(5)调质：淬火高温回火,五、关于连续转变CCT图表现：奥氏体化温度、冷却速度、组织、硬度用途：预测组织和性能、制定焊接工艺六、力学性能实验拉伸试验：获得抗拉强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率硬度试验洛氏硬度：HRC、HRB表示50HRC维氏硬度：HV180HV5试验压力5g布氏硬度：HB表示：120HB5/250120-硬度值钢球直径-5mm试验压力值-250g焊缝的硬度：ISO9015(EN1043)弯曲试验：EN910可变形能力，三点弯曲试验：弯曲角、弯曲变形程度缺口冲击试验：ISO9016-2001焊缝的冲击试验(EN875)特征值：缺口冲击功AvJ缺口冲击韧性aKJ/cm2缺口冲击功：试验温度、缺口形状、材料种类、取样部位,七、钢的分类和标记1.钢的分类（EN10020）,碳钢(非合金钢)Mn1.65%,低合金钢合金元素5%,高合金钢合金元素5%,按合金元素含量分类,按使用要求分类,普通钢优质钢特殊优质钢,碳素钢和碳锰钢(Mn1%)C25,非、低合金钢13CrMo4-5,高合金钢X5CrNi18-10,P265、E275S355J0、S355NLS235W、S355WP,2.钢的标记(EN10027、ECISS-IC10)(1)数字标记10116注意第一位数字材料分类号0纯铁1钢2重金属3轻金属(2)符号标记,主要符号（化学成分）,主要符号+附加符号,八、碳钢和碳锰钢EN10025-2热轧普通碳钢及优质钢（非合金一般结构钢）1.焊接性(1)S235焊接性好薄板不预热；厚板需预热(2)S355焊接性一般Wc0.22%，可能产生淬硬M，导致冷裂纹。措施：预热、缓冷,K(%)0.4%焊接性良好不预热或100K(%)=0.40.6%焊接性一般100250K(%)0.6%焊接性较差250或更高,2.预热温度,碳当量,八、碳钢和碳锰钢EN10025-2热轧普通碳钢及优质钢（非合金一般结构钢）3.填充材料,选择原则：填充材料与母材等强匹配,等强匹配,屈服强度+熔敷金属最低冲击功47J,抗拉强度+熔敷金属最低冲击功27J,填充材料：EN499（ISO2560-A）焊条电弧焊用药皮焊条EN440（ISO14341）气保焊用实芯焊丝EN756（ISO14171）埋弧焊用焊丝EN750（ISO14174）埋弧焊用焊剂填充材料完整标记：（S235J2）EN499E420Mn1NiRR12EN440G463MG3Si1EN756S463ABS3,九、材料的可焊性影响焊接质量因素:成分、钢材制造方法、物理性能、工作环境2.HAZ:不同区域组织不同性能不同,熔合区和粗晶区焊接接头簿弱地带,粗晶易产生脆化3.焊接冷却速度:超过临界冷却速度时,产生硬化.硬度高;变形能力小;韧性低;内应力大.产生位置:引弧收弧处短焊道厚结构环境温度小于54.热影响区易产生问题(1)脆化粗晶脆化析出相时效脆化氢脆(2)软化:发生在调质钢和时效强化合金(3)综合性能过热(粗晶区)硬度强度提高塑性韧性延伸率下降正火区具有更好机械性能,十、焊缝缺陷1.裂纹,热裂纹：材料的脆性+拉伸应力(S、P低熔点共晶薄膜),冷裂纹：产生三大要素氢、淬硬组织、拘束应力小铁研试样、插销试验,2.气孔:氢气孔、氮气孔、CO气孔3.脆断：内因：晶体结构、化学成分/冷变形、时效、焊接外因：温度条件、加载速度、应力状态检测方法：落锤试验NDT,不同材料冲击韧性与温度关系曲线,具有冷脆现象金属的晶格特征,研究表明：具有冷脆现象的金属多为：体心立方晶格或密排六方晶格结构。大多面心立方晶格的金属，如：铝、铜等金属则没有冷脆现象。所以，低温环境的压力容器往往选择含镍量较高的面心立方晶格的金属。这类金属材料具有较高的低温韧性！,3.1影响脆性断裂倾向的因素,1）内部影响因素内部影响因素包括材料的组织成分以及进一步的加工.如：冷变形，时效，中子辐射和焊接等。焊接时仅能通过材料本身的性能及局部的塑性流动减小约2%的热收缩，冷却后构件中的内应力保持在屈服极限的水平上。运行时受到初次载荷的作用，由于在局部已经超过了屈服极限，因此会产生新的塑性变形，在初次载荷去除后，内应力变小并且应力集中被消除。,3.1影响脆性断裂倾向的因素,深入理解：温度条件是引发金属脆断的前提促成脆性转变！应力状态是决定断裂性质的天平基于载荷形式！加载速度则是促成脆断的导火索胜似雪上加霜！,2)外部三因素温度条件、应力状态、加载速度,应该指出，在结构缺口处由于应力集中作用，使变形速度明显提高，故脆断危险性增大。载荷的冲击性越大，即变形速度越大，对工件的危害也就越大！这使我们不难理解为什麽采用落锤试验研究材料的抗脆断的性能！,b)变形速度，T脆，脆断,2)外部三因素,加载速度的影响研究表明：加载速度d/dt提高，其作用相当于温度降低，同样会使剪切屈服极限tT升高，而正断抗力SOT不变，则脆断危险性增加！,tT，SOT,tT,d/dt,加载速度对脆断的影响规律,按应力状态分为：单向应力又称线应力，存在于窄板条结构；双向应力又称平面应力，存在于薄板结构；三向应力又称体积应力，存在于厚板结构。三向应力的符号表示：x,y,z。x纵向应力，即平行焊缝方向的内应力；y横向应力，即垂直焊缝方向的内应力；z板厚方向的应力，即垂直焊缝平面的内应力。,2.1.2焊接应力的分类,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。,落锤试验,温度,韧脆转变温度,冲击断裂功,温度,韧脆转变温度,冲击断裂功,韧性,脆性,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maxmax）？，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maxmax）？，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。,(2)落锤试验属于止裂性